Bygg ett eget vattenkraftverk: så skapar du ett autonomt minikraftverk

Vattenflödets kraft är en förnybar naturresurs som gör det möjligt att få nästan gratis el. Energin som naturen ger gör det möjligt att spara på elräkningen och lösa problemet med att ladda utrustning.

Om en bäck eller flod rinner nära ditt hus är det värt att utnyttja den. Den kan förse tomten och huset med el. Och om du bygger vattenkraftverket själv ökar den ekonomiska effekten många gånger.

I denna artikel beskrivs tekniken för att bygga ett privat vattenkraftverk i detalj. Vi berättar vad som krävs för att installera systemet och ansluta det till förbrukarna. Här får du veta allt om olika typer av små energikällor som kan byggas av material du har till hands.

Icke-industriella vattenkraftverk

Vattenkraftverk är anläggningar som kan omvandla energin från vattenrörelser till elektricitet. Alternativa “gröna” elleverantörer används fortfarande aktivt bara i väst. I vårt land tar denna lovande bransch bara sina första trevande steg.

Små privata vattenkraftverk kan vara dammar i stora floder som producerar från tiotals till flera hundra megawatt, eller minikraftverk med en maximal effekt på 100 kW, vilket är fullt tillräckligt för ett enskilt hushåll. Det är de sistnämnda vi ska titta närmare på.

Girlandstation med vattenskruvar

Konstruktionen består av en kedja av rotorer som är fästa på en flexibel stålvajer, spänd tvärs över floden. Själva vajern fungerar som en roterande axel, vars ena ände är fäst vid ett lagerstöd och den andra aktiverar generatoraxeln.

Varje hydrorotor i "girlanden" kan producera cirka 2 kW energi, men då krävs en vattenhastighet på minst 2,5 meter per sekund och ett vattendjup på högst 1,5 m.

Principen för en girlandvattenkraftstation är enkel: vattentrycket snurrar vattenskruvarna, som i sin tur vrider på en kabel och får generatorn att producera energi.

Girlandstationer användes framgångsrikt redan i mitten av förra seklet, men då fungerade hemmagjorda propellrar och till och med konservburkar som skruvar. Idag erbjuder tillverkarna flera typer av rotorer för olika driftförhållanden.

De är utrustade med blad i olika storlekar, tillverkade av plåt, och gör det möjligt att uppnå maximal verkningsgrad från stationens drift.

Men även om denna vattengenerator är ganska enkel att tillverka, kräver dess drift ett antal speciella förhållanden som inte alltid är genomförbara i verkligheten. Sådana konstruktioner spärrar av flodfåran, och det är osannolikt att grannarna längs stranden, för att inte tala om företrädare för miljömyndigheter, kommer att tillåta dig att använda flödets energi för dina ändamål.

Dessutom kan installationen under vinterperioden endast användas på vattendrag som inte fryser, och under hårt klimat måste den konserveras eller demonteras. Därför byggs girlandstationer tillfälligt och främst i obebodda områden (till exempel nära sommarbetesmarker).

Rotorstationer med en effekt på 1 till 15 kW/timme producerar upp till 9,3 MW per månad och gör det möjligt att självständigt lösa elektrifieringsproblemet i regioner som är avlägsna från centrala elnät.

Den moderna motsvarigheten till girlandinstallationen är nedsänkta eller flytande ramstationer med tvärrotorer. Till skillnad från sin girlandföregångare spärrar dessa konstruktioner inte av hela floden utan använder endast en del av fåran, och de kan installeras på en ponton/flotte eller till och med sänkas till botten av vattendraget.

Vertikal Darrieus-rotor

Darrieus-rotorn är en turbinanordning som fått sitt namn efter sin uppfinnare år 1931. Systemet består av flera aerodynamiska blad fästa på radiella balkar och fungerar genom tryckskillnad enligt principen för 'bärkraftig vinge', som används flitigt inom skeppsbyggnad och flyg.

Även om sådana installationer mest används för att skapa vindgeneratorer, kan de även arbeta med vatten. Men i så fall krävs noggranna beräkningar för att välja bladens tjocklek och bredd i enlighet med vattenflödets styrka.

Darrieus-rotorn påminner om en 'vindkraftsnurra', men placerad under vatten, och den kan arbeta oberoende av säsongsvariationer i flödeshastigheten.

För att skapa lokala vattenkraftstationer används vertikala rotorer sällan. Trots god verkningsgrad och en till synes enkel konstruktion är utrustningen ganska komplicerad att driva.

Innan arbetet påbörjas måste systemet 'snurras igång', men att stoppa en igångsatt station kan bara göras genom att vattendraget fryser. Därför används Darrieus-rotorn främst i industriella anläggningar.

En intressant lösning inom design av små vattenkraftverk med vertikalt arbetande turbin föreslogs av den österrikiske uppfinnaren Franz Zotlöterer:

En tung fördel med vattenvirvelstationer anses med rätta vara bevarandet av fiskbestånden. Den vertikala turbinens arbete skadar inte flodens levande organismer. Dessutom fastnar inte slam på väggarna på grund av den specifika vattenrörelsen.

Undervattenskruvpropeller

I princip är det en enkel luftvindturbin, men den installeras under vatten. Bladens storlek beräknas för att ge maximal rotationshastighet och minimalt motstånd beroende på flödesstyrkan. Till exempel, om strömningshastigheten inte överstiger 2 m/s, bör bladets bredd vara mellan 2-3 cm.

En undervattenspropeller är lätt att göra själv, men den passar bara för djupa och snabba floder – i grunda vattendrag kan de roterande bladen skada fiskare, badande, sjöfåglar och djur.

En sådan vindturbin installeras 'mot' strömmen, men dess blad arbetar inte på grund av vattentrycket utan tack vare lyftkraften (enligt principen för ett flygplansvinge eller ett fartygs propeller).

Vattenhjul med skovlar

Vattenhjulet är en av de enklaste typerna av hydraulisk motor, känd sedan romarrikets tid. Dess effektivitet beror till stor del på vilken typ av vattenkälla den är installerad på.

Ett underfallshjul kan bara rotera på grund av strömningshastigheten, medan ett överfallshjul roterar med hjälp av vattnets tryck och vikt som faller uppifrån på skovlarna.

Beroende på vattendragens djup och fåra kan olika typer av hjul installeras:

• Underfallshjul (eller nedre slaghjul) – passar för grunda floder med snabb ström.
• Mittfallshjul – placeras i fåror med naturliga kaskader så att flödet träffar ungefär mitten av det roterande hjulet.
• Överfallshjul (eller toppskottshjul) – installeras under en damm, ett rör eller i nedre delen av en naturlig fors, så att det fallande vattnet fortsätter sin väg genom hjulets överkant.

Men arbetsprincipen är densamma för alla varianter: vattnet träffar skovlarna och driver hjulet, som i sin tur får generatorn för ett minikraftverk att rotera.

Tillverkare av vattenkraftsutrustning erbjuder färdiga turbiner vars skovlar är speciellt anpassade för en viss vattenhastighet. Men hemmasnickare tillverkar trumkonstruktioner på gamla vis – av enkla material.

Följande fotosamling hjälper dig att bekanta dig med stegen för att bygga den enklaste varianten av ett minikraftverk:

Den eventuella avsaknaden av optimering kan påverka verkningsgraden, men tillverkningskostnaden för den hemmagjorda utrustningen blir många gånger lägre än för en köpt motsvarighet. Därför är vattenhjulet det mest populära alternativet för att bygga ett eget minikraftverk.

Förutsättningar för installation av vattenkraftverk

Trots den lockande billiga energin som produceras av en vattengenerator är det viktigt att ta hänsyn till egenskaperna hos vattenkällan vars resurser du planerar att använda för dina egna behov.

För det är långtifrån varje vattendrag som lämpar sig för drift av ett minikraftverk, särskilt året runt, så det skadar inte att ha en reservmöjlighet att ansluta till det centrala elnätet.

Några för- och nackdelar

De främsta fördelarna med ett privat vattenkraftverk är uppenbara: billig utrustning som producerar billig el och dessutom inte skadar naturen (till skillnad från dammar som stänger av flodens flöde). Även om systemet inte kan kallas helt ofarligt – de roterande turbindelarna kan skada undervattensinvånare och till och med människor.

För att förhindra olyckor måste kraftverket inhägnas, och om systemet är helt dolt under vatten – sätt upp en varningsskylt på stranden.

Fördelar med minikraftverk:

1. Till skillnad från andra 'gratis' energikällor (solpaneler, vindkraftverk) kan vattenkraftssystem fungera oavsett tid på dygnet och väder. Det enda som kan hindra dem är att vattendraget fryser.
2. För installation av en vattengenerator krävs inte en stor flod – samma vattenhjul kan framgångsrikt användas även i små (men snabba!) bäckar.
3. Installationerna avger inga skadliga ämnen, förorenar inte vattnet och arbetar nästan ljudlöst.
4. För installation av ett minikraftverk med en effekt på upp till 100 kW krävs inga tillståndshandlingar (även om allt beror på lokala myndigheter och installationstyp).
5. Överskott av el kan säljas till grannhus.

När det gäller nackdelar – ett allvarligt hinder för produktiv drift av utrustningen kan vara otillräcklig strömhastighet. I så fall måste man bygga hjälpkonstruktioner, vilket medför extra kostnader.

Om den potentiella energin i den närliggande floden enligt en grov uppskattning inte räcker för att producera el i tillräcklig mängd för praktisk användning, är det värt att titta på sätt att bygga vindkraftverk. En vindkraftverk kan vara ett effektivt komplement.

Mätning av vattenflödets kraft

Det första man behöver göra för att överväga typ och installationsmetod för stationen är att mäta vattenflödets hastighet på den utvalda källan.

Det enklaste sättet är att släppa ett lätt föremål (t.ex. en tennisboll, en bit frigolit eller ett fiskeflöte) i strömfåran och mäta med stoppur den tid det tar att flyta en sträcka till någon referenspunkt. Standardsträckan för 'simturen' är 10 meter.

Om vattendraget ligger en bit från huset kan man bygga en avledningskanal eller en rörledning, och samtidigt ta hand om höjdskillnaderna.

Nu måste man dividera den tillryggalagda sträckan i meter med antalet sekunder – det blir strömhastigheten. Men om det erhållna värdet är mindre än 1 m/s, kommer det att krävas att man bygger konstgjorda konstruktioner för att påskynda flödet med höjdskillnader.

Det är verkligen möjligt att genomföra med hjälp av en demonterbar damm eller ett smalt avloppsrör. Men utan en bra ström måste du överge idén om en vattenkraftstation.

Bygga ett vattenkraftverk baserat på ett vattenhjul

Att på ett enkelt sätt bygga ihop och resa en koloss avsedd för att betjäna ett företag eller en ort med till och med ett tiotal hus är en fantasi. Men att bygga ett mini-vattenkraftverk med egna händer för att spara el är fullt realistiskt. Och du kan använda både färdiga komponenter och tillgängliga material.

Titta därför steg för steg på tillverkningen av den enklaste konstruktionen – ett vattenhjul.

Nödvändiga material och verktyg

För att bygga ett mini-vattenkraftverk med egna händer måste du förbereda en svetsapparat, vinkelslip, borr och en uppsättning hjälpverktyg – hammare, skruvmejsel, linjal.

Av material behöver du:

• Vinkelprofiler och plåt med en tjocklek på minst 5 mm.
• Rör av PVC eller galvaniserat stål för tillverkning av bladen.
• Generator (du kan använda en färdig köpt eller göra en själv, som i detta exempel).
• Bromsskivor.
• Axel och lager.
• Plywood.
• Polystyrenharts för gjutning av rotor och stator.
• Koppartråd på 15 mm för den egentillverkade generatorn.
• Neodymmagneter.

Tänk på att hjulkonstruktionen kommer att vara i konstant kontakt med vatten, därför måste metall- och träelement väljas med fuktskydd (eller så måste du själv se till att impregnera och måla dem). Helst kan plywood ersättas med plast, men trädelar är lättare att få tag på och forma efter behov.

Montering av hjulet och tillverkning av munstycket

Grunden för själva hjulet kan vara två stålskivor med samma diameter (om du har möjlighet att få tag på en ståltrumma från en kabel – utmärkt, det kommer att påskynda monteringsprocessen avsevärt).

Men om det inte finns någon metall bland tillgängliga material kan du skära ut cirklar även från vattenbeständig plywood, även om hållfastheten och livslängden hos även behandlat trä inte kan jämföras med stål. Därefter måste du skära ett runt hål på en av skivorna för installation av generatorn.

Därefter tillverkas bladen, och du behöver minst 16 stycken. För detta skärs galvaniserade rör på längden i två eller fyra delar (beroende på diameter). Därefter måste skärkanterna och själva bladytan slipas för att minska energiförluster på grund av friktion.

Bladen monteras i en lutning på cirka 40-45 grader – detta hjälper till att öka den yta som flödeskraften kommer att påverka.

Avståndet mellan de två sidodiskarna bör vara så nära bladlängden som möjligt. För att markera platsen för framtida nav rekommenderas det att du gör en mall av plywood, där platsen för varje detalj och hålen för fastsättning av hjulet till generatorn är markerade. Den färdiga markeringen kan fästas på utsidan av en av diskarna.

Därefter placeras ringarna parallellt med varandra med hjälp av gängstänger med helgängning, och bladen svetsas eller fästs med bultar på rätt positioner. Trumman kommer att rotera på lager, och som stöd används en ram av vinkeljärn eller rör med liten diameter.

I detta skede kan monteringen av trumman anses vara klar, det återstår att utrusta den med en hemmagjord generator och ett munstycke som riktar vattenflödet.

Munstycket är avsett för vattenkällor av kaskadtyp – en sådan installation gör det möjligt att använda strömmens energi till max. Detta hjälpelement tillverkas genom att böja plåt och sedan svetsa sömmarna, och därefter monteras det på ett rör.

Men om det i ditt område flyter en slättflod utan forsar och andra höjdhinder, är denna detalj inte nödvändig.

Det är viktigt att munstyckets utloppsöppningens bredd motsvarar hjulets bredd, annars kommer en del av flödet att gå förbi utan att träffa bladen.

Nu måste hjulet monteras på axeln och installeras på en stödställning av svetsade eller bultade vinkeljärn. Det återstår att göra en generator (eller installera en färdig) och sedan kan man ge sig av till floden.

Gör-det-själv-generator

För att tillverka en hemmagjord generator måste man göra en lindning och gjuta statorn, vilket kräver spolar med 125 varv koppartråd vardera. Efter att de har kopplats ihop gjuts hela konstruktionen med polyesterharts.

Varje fas består av tre seriekopplade lindningar, så anslutningen kan göras som stjärna eller delta med flera externa uttag.

Nu måste man förbereda en plywoodmall som matchar storleken på bromsskivan.

På en träring markeras och görs skåror för montering av magneter (i detta fall användes neodymmagneter med tjocklek 1,3 cm, bredd 2,5 cm och längd 5 cm). Därefter gjuts den erhållna rotorn också med harts, och efter torkning – ansluts den till hjultrumman.

Ett vattenhjul med rotor av bromsskivor och generator av koppartrådslindningar – målad, presentabel och redo för drift.

Slutligen monteras ett aluminiumhölje med amperemeter som täcker likriktarna. Uppgiften för dessa element är att omvandla trefasström till likström.

Efter att hjulet har installerats i flödet av en liten bäck med kaskad eller avtappningsrör, kan man räkna med en prestanda på 1,9A * 12V vid 110 varv per minut.

För att förhindra att löv, sand och annat skräp som kommer med flödet hamnar i hjulet, är det lämpligt att placera ett skyddsnät framför anordningen.

Man kan också experimentera med glappen mellan magneter och spolar med ett ökat antal varv för att öka verkningsgraden hos vattenkraftstationen.

Om alla typer av alternativa energikällor får du veta genom att läsa artikeln om införandet av “grön teknik” i vardagen.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Video #1. Exempel på en fungerande vattenkraftanläggning med en hemmabyggd generator baserad på en trefasmotor:

Video #2. Mini-vattenkraftverk konstruerat enligt principen för ett vattenhjul:

Video #3. Station baserad på ett cykelhjul – ett intressant alternativ för att lösa problemet med energiförsörjning på semestern långt från civilisationen:

Som du ser är det inte så svårt att bygga ett litet vattenkraftverk med egna händer. Men eftersom de flesta beräkningar och parametrar för dess komponenter bestäms 'på en höft', bör du vara beredd på eventuella haverier och tillhörande kostnader.

Om du känner att du saknar kunskaper och erfarenhet inom detta område, är det bäst att lita på experter som utför alla nödvändiga beräkningar, rekommenderar den optimala utrustningen för ditt fall och utför installationen på ett kvalitativt sätt.

Skriv gärna kommentarer i blocket nedan. Dela intressanta fakta och användbara tips, lämna tematiska foton. Kanske vill du berätta hur du med egna händer byggde ett fungerande vattenkraftverk på din tomt? Vi ser fram emot att läsa din berättelse om byggprocessen och driften.