Ветро гидро генератор сам

Самодельная мини-ГЭС и ее промышленные аналоги

В статье приведено описание и опыт применения различных самодельных и промышленных мини-ГЭС.

В последнее время, из-за роста тарифов на электроэнергию, все более актуальными становятся возобновляемые источники практически бесплатной энергии.

Из известной классической триады: солнечные батареи, ветрогенераторы, гидрогенераторы (ГЭС), последние наиболее сложные. Они, во-первых, работают в агрессивных условиях, а во-вторых, имеют максимальную наработку за равный промежуток времени.

При изготовлении самодельного гидрогенератора нужно больше потрудиться и выбрать более качественные материалы, чтобы обеспечить его долговечность. Зато такой генератор (при равной мощности с ветряком и солнечной батареей) выдаст, за равный промежуток времени, гораздо больше энергии.

Что и как делать?

Наиболее просто делать бесплотинные ГЭС, т.к. сооружение плотины достаточно сложное и дорогое дело и часто требует согласования с местными властями или, по крайней мере, с соседями. Бесплотинные ГЭС называют проточными. Существует четыре основных варианта таких устройств: водяное колесо, гирляндная ГЭС, ротор Дарье и пропеллер.

Типы мини-ГЭС

Водяное колесо, это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды. Колесо погружено в поток меньше чем наполовину. Вода давит на лопасти и вращает колесо. Существуют также колеса-турбины со специальными лопатками, оптимизированными под струю жидкости. Но это достаточно сложные конструкции скорее заводского, чем самодельного изготовления.

Гирляндная ГЭС представляет собой трос, с жестко закрепленными на нем роторами. Трос перекинут с одного берега реки на другой. Роторы как бусы нанизаны на трос и полностью погружены в воду. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос. Один конец троса соединен с подшипником, второй с валом генератора.

Ротор Дарье, это вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета.

Пропеллер – это подводный «ветряк» с вертикальным ротором. В отличие от воздушного, подводный пропеллер имеет лопасти минимальной ширины. Для воды достаточно ширины лопасти всего в 2 см. При такой ширине будет минимальное сопротивление и максимальная скорость вращения. Такая ширина лопастей выбиралась для скорости потока 0.8-2 метра в секунду. При больших скоростях, возможно, оптимальны другие размеры.

Достоинства и недостатки различных систем для создания самодельной ГЭС

Недостатки гирляндной ГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих ( длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это небольшая плотина. Ротор Дарье сложен в изготовлении, в начале работы его нужно раскрутить. Но он привлекателен тем, что ось ротора расположена вертикально и отбор мощности можно производить над водой, без дополнительных передач. Такой ротор будет вращаться при любом изменении направления потока.

Таким образом, с точки зрения простоты изготовления и получения максимального КПД с минимальными затратами, необходимо выбрать конструкцию типа водяное колесо или пропеллер. Большинство самоделок используют именно эти варианты.

С чего начать?

Если вы решились построить свою мини-ГЭС, то первое, что нужно сделать – это измерить скорость течения реки. Осуществить это довольно просто: вооружитесь секундомером, отмерьте шагами 10 метров вверх по течению, бросьте в воду щепку и замерьте время прохождения этих 10 метров. Поделив метры на секунды, вы получите скорость потока. Опыт показал, что если скорость меньше 1 м/с, то эффективной ГЭС не получится.

Для примера, можно привести соотношение, полученное экспериментальным путем, между скоростью потока м/с и мощностью снимаемой с вала винта кВт (диаметр винта 1 метр). Итак: 0.5 м/с – 0.03 кВт, 0.7 м/с – 0.07 кВт, 1 – 0.14, 1.5 – 0.31, 2 – 0.55, 2.5 – 0.86, 3 -1.24, 4 – 2.2 и т.д. Мощность пропорциональна кубу скорости потока. Если скорость потока в вашем водоеме недостаточная, попробуйте организовать достаточный перепад высот для потока жидкости.

Это можно сделать, установив сливную трубу из пруда или заключив ручеек в трубу и организовав плавное изменение диаметра трубы. Чем меньше будет диаметр в конце трубы, тем больше будет скорость потока. Если рядом с вами протекает только небольшой ручей, то можно сделать маленькую разборную плотину, а за плотиной поставить вашу ГЭС.

Примеры изготовления

Можно привести несколько примеров самодельных мини-ГЭС. Начнем с простейшего, который не отнимет у вас много времени, но поможет создать представление, как это работает.

Возьмем обычный велосипед с велогенератором (динамо машиной) и велофарой. Из кровельного железа или из листового алюминия вырежем несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Лопасти устанавливаются между спицами, для крепления их края загибают плоскогубцами вокруг спиц. Так как металл лопастей тонкий, это не сложно сделать.

Если вы используете две лопасти, то установите их напротив друг друга. Если захотите добавить большее количество лопастей, то разделите окружность колеса на число лопастей и установите их через равные промежутки.

Такая микро ГЭС, зто большое подспорье велотуристам, если они остановились на берегу реки с быстрым течением. Вода поможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны. С глубиной погружения колеса можно поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.

Другой пример гидрогенератора – это микро-ГЭС для электроснабжения небольшого фермерского хозяйства, мощностью 3-5 кВт. Мощность потока, вращающего колесо, составляет примерно 100 литров в секунду. Для изготовления использовались только подручные материалы, из тех. Что можно найти на свалке.

Ротор-колесо был сделан из металлического барабана от кабеля. Диаметр барабана 2200 мм. Барабан разрезали болгаркой и переварили. Расстояние между щечками составило 300 мм. Под углом 45 градусов к радиусу вварили 18 лопастей. Материал лопастей – это остатки от разрезанного барабана. Барабан вращается на подшипниках, в качестве опоры для конструкции применена рама из труб или уголков.

На колесе смонтирован цепной редуктор, с коэффициентом передачи равным четырем. Далее вращение передается через карданный вал от «Жигулей» ВАЗ 2101. Кардан позволяет уменьшить вибрацию и снизить требования к соосности привода и генератора. Генератор и прочая электрика и механика, связанная с ним, закрыты водонепроницаемым кожухом (контейнером). Это сделано из соображений безопасности и долговечности.

Внутри кожуха установлен повышающий редуктор с коэффициентом 40 и трехфазный генератор. Скорость вращения генератора примерно 3000 оборотов в минуту. Общий коэффициент редуцирования двух редукторов (цепного и шестеренчатого) 160. Таким образом, водяное колесо вращается со скоростью около 18-20 оборотов в минуту.

В качестве генератора был использован списанный асинхронный двигатель, блок управления взят от старой списанной кормодробилки 1953 года выпуска. От генератора до фермы протянут кабель ВВГ НГ 2х4 квадрата. Кабель закреплен на самодельных столбах.

Материалы и изготовление обошлись в 10000 рублей. Большая часть денег это зарплата рабочих и сварщика. Сумма может быть и меньше, ведь в России так много свалок, куда выбрасывают вполне работоспособное оборудование и собственные голова и руки помогут вам экономить деньги.

Что предлагает промышленность

В настоящий момент мало отечественных предприятий предлагают мини ГЭС по приемлемым ценам. Наприрмер, аналогичная миниГЭС (3-5кВт) обошлась бы в 300-400 тысяч рублей. Более подробно с конкретикой вопроса можно ознакомиться по ссылкам:

http://www.intersolar.ru/catalog/hydro/renewable/ — каталог материалов,

http://energyservice.sitecity.ru/stext_1101130058.phtml — гидророгенераторы и гидроэнергетика от ОсОО «Гидропоника»,

http://www.inversiya.com/alternativ/001.htm — мини-гидроэлектростанции от «НПО Инверсия»,

http://www.inset.ru/r_offers/MHPP-10Pr.htm — микроГЭС10Пр от «МНТО ИНСЭТ»,

http://www.avante.com.ua/rus/price/catalog/tmc_el01937.htm — микрогидроэлектростанция ПР-5-Г-20 от фирмы «Аванте»,

http://iis97.narod.ru/pr12.htm — интересные рукавные всесезонные гидроэлектростанции Луч-1 и Луч-2,

http://promcomplex.ru/rukavnaya_perenosnaya_gi — рукавная переносная гидроэлектростанция РПГЭС-1,5,

http://www.powerpal.com/ — гидрогенераторы в Канаде,

http://www.rusphysics.ru/articles/221/ — необычные бесплотинные ГЭС нового поколения,

http://www.ntpo.com/techno/techno2_2/10.shtml — ещё о бесплотинных ГЭС,

http://the-mostly.narod.ru/misc/garland_hydro_electrical_plant.html — гирляндная гэс,

http://www.sgp.uz/userfiles/MikroGES%20rus-new.pdf — пособие по применению,

http://www.lpelectric.ro/ro/products/hydro/turbine_ro.html — микро гидротурбина,

http://www.made-in-china.com/products-search/hot-china-products/Hydro_Turbine.html — гидрогенераторы, произведенные в Китае.

http://alt-energy.org.ua/2009/08/19/barzhi-generatory-gidrokineticheskoj-energii/ — баржи, генераторы гидрокинетической энергии.

Чем дольше живешь, тем больше понимаешь, что кризис гнездится в головах наших руководителей. Россия самодостаточная страна, т.к. в ней есть все – ресурсы, талантливые люди и миллион направлений для желающих что-то изменить к лучшему. Нам есть, к чему стремится – самый длинный путь начинается с первого шага. Сделайте его и опишите свои достижения. Поделитесь своим опытом.

Ветрогенератор

Задачи поставленные перед этим устройством следующие: изготовить тихоходный генератор для зарядки аккумулятора 12 в в походных условиях при небольшой скорости вращения – 100-120 об/мин. В дальнейшем использовать в качестве:
1. Ветрогенератора, снабдив его ротором с лопастями.
2. Гидрогенератора, подвесив на транце при хождении под парусами.
3. На случай если нет ни солнца ни ветра – с приводом от мускульной силы приделав ручку от мясорубки)))
Генератор должен быть с прямым приводом, без редукторов и ремней, на которых то-же будут потери. Ещё одно важное требование – момент страгивания или стартовый момент должен быть минимальный, иначе на слабых ветрах зарядки не будет. Основой устройства должен стать одно или трёх фазный аксиальный генератор, без щёток и обмотки возбуждения, а так же без регулятора напряжения и контроллера заряда. Минимум наворотов и электроники – проще и надёжнее.

— Сверхтихоходный генератор —

Магниты. В качестве источника магнитного поля выбраны магниты из слава неодим–железо–бор (NdFeB) имеющие высокую магнитную индукцию 1,0-1,2 Тл. В расчетах будем принимать 0,8 Тл в связи с их китайским происхождением. Неодимовые магниты не зря называют супермагнитами: кроме большой индукции они имеют приличную магнитную энергию – 200-250 КДж/м³ (половинки ротора будут притягиваться с силой 150 кг)!, и огромную коэрцитивную силу – 800-900 Килоампер/метр. Другими словами, что бы его размагнитить до нуля, надо хорошо постараться и потратить немало энергии. Сама коэрцитивная сила никаким боком к нашему генератору не будет относиться, но цифра в почти тысячу килоампер, вызывает уважение к этой небольшой железяке. Из недостатков – повышенная хрупкость, ломаются на «раз – два». Подверженность окислению, будучи покрытые никелевым сплавом все равно ржавеют… и относительно невысокая рабочая температура 80-200º, после воздействия которой, безвозвратно теряют свои магнитные свойства.
Рассчитывался генератор по известной формуле E=B*V*L. Где «E» – вырабатываемая ЭДС, «B» – магнитная индукция, «L» – активная длина проводника над которым пробегает магнит и V – скорость с которой он пробегает. Сопротивление обмотки из расчета длины проводника, сечения и удельного сопротивления меди = 0,017. Полученное напряжение при соединении в звезду умножаем на √3, а ток зарядки получаем из расчета полученного напряжения, за минусом 12 вольт на заряжаемом аккумуляторе и делении на сопротивление фазы, которое то же умножаем на √3, так как «звезда».
Статор: В большинстве статоры аксиальных генераторов изготавливают из эпоксидной смолы, путем вклеивания туда катушек. Способ простой, но имеющий серьёзны недостаток – эпоксидка не держит высоких температур 120-140°C макс. дальше она теряет прочность и попросту рассыпается. Посему решено изготовить статор из цельного куска текстолита и вклеить туда сами катушки. Так и сделано: в куске текстолита толщиной 12 мм. ручным способом «выфрезерованны» 9 отверстий под будущие катушки. Что бы катушки не выступали за плоскость статора, толщина их 11 мм.

При помощи болгарки из 12 мм. текстолита

Разметка окон для катушек через 40 град.

Ручным способом сверлом и шарошками

Прочность образующим будет сам стеклотекстолит, а эпоксидка будет держать только катушки, что никак не повлияет на прочность статора. Да и позиционировать такой статор в сильном магнитном поле будет проще

Катушки: самая противоречивая часть во всем генераторе. Задача одна – разместить в окне статора как можно больше меди. Можно путём увеличением числа витков – тогда больше напряжение но ток меньше. Можно увеличением диаметра провода, тогда меньше сопротивление, больше ток но напряжение ниже.

Для намотки изготовлен небольшой станок

Укладывал плотно виток к витку.

Как ни укладывай последний слой такой

Экспериментировал с проводами 1,05 и 0,5 мм. В первом случае вместилось около 70 витков и ток был значительно выше, но упало напряжение и что бы получить 15-20 вольт крутить приходилось шустрее. Во втором, сколько витков не помню , но напруга от руки доходила до 50 в, а ток упал. Увеличить частоту вращения нельзя – тихоходный все же, но можно увеличить количество магнитов и тем самым чаще пересекать витки. Тогда расстояние между магнитами на диске уменьшиться, магниты сблизятся и будут обмениваться своими 0,8-0,9 Тл. между собой. Бежать к другому диску, потом пронизывать витки, и чего-то там вырабатывать смысла не будет, проще замкнуться через воздух с соседями по диску.

Для придания прочности пропитка лаком

Сушим зажатыми, иначе не влезут в статор

5-6 пропиток лаком и неделя сушки.

Ещё способ впихнуть больше меди в окно статора – уменьшить внутреннюю дырку в катушке. Но и здесь не просто… ширина внутреннего окна катушки не должна быть меньше ширины магнита. Иначе идущий над катушкой магнит еще не освободит правую сторону витков, уже начнет наводить ЭДС в левой, того же направления. Как следствие появиться встречный ток в каждом витке на время полного «затмения» дырки – получим хороший разогрев обмотки и падение КПД. Описывать лавирование между законами физики больше не буду, скажу сразу: Изготовлен 3-х фазный генератор по три катушки в фазе, итого 9 катушек по 150 витков проводом 0,71 мм. и 12 пар неодимовых магнитов 30х15х10 мм. Катушки можно в «звезду» – больше напряжение но меньше ток, можно в «треугольник» – току больше, напряжения меньше.
Ротора два: с размещенными на них неодимовыми магнитами в количестве 24 шт. Толщина диска ротора не должна быть меньше толщины магнита, это обусловлено замыканием магнитного потока через вал на другой диск, и соотв. через катушку. Хотя из условия прочности достаточно 3-5 мм, пришлось делать аж 10 мм, отсюда и приличный вес генератора.

Неодимовые магниты 30х15х10 мм

12 шт. на диске с шагом в 30 град.

Важно: толщина диска = толщине магнита.

Магниты размещены с чередованием полярности «N» – «S» – «N» – «S»… и приклеены по периметру, что совсем не лишнее. Усилие притягивания дисков между собой около 150 кг. Что бы не переломать пальцы при сборке/разборке в дисках предусмотрены выжимные отверстия с резьбой. Пара М6 пищат конечно, но отжимают.

Следует сказать, что магнитопровод генератора разомкнут сознательно и в катушках нет сердечников из ЭТС. Сделано это для того, что бы обеспечить лёгкий старт на малых ветрах. Выбить деревянные чурки, и вставить туда пластины от трансформатора не сложно, но при таких мощных магнитах сразу появиться залипание и сдвинуть ротор будет сложнее, хотя КПД будет намного выше. Сейчас вращение свободное, и обусловлено только трением в подшипниках. Дальше, когда пойдет первый ампер зарядки, крутить становиться сложнее, но ротор уже разогнался.
Токарные дела. Здесь чертежи и шаблон разметки статора и ротора. Чертил от руки, без циркуля и линейки, но опытный токарь разобрался и все сделал как надо. Диски и вал стальные, остальное АМГ или Д16. Между дисками вставлена шайба 4,4 мм. которая удерживает зазор между магнитами в 14 мм. и снимает нагрузку с крепления дисков к валу.

Передняя подшипниковая крышка

Задняя подшипниковая крышка

Шаблон разметки ротора и статора

Подшипниковые щиты из 5 мм Д16. На заднем смонтирован 3-х фазный диодный мост по схеме Ларионова на сборках с барьером Шоттки MBR20100CT. Сделано это для уменьшения прямого падения напряжения при выпрямлении.

Звезда с изолированной нейтралью

Выжимные отв. для снятия диска

Зазоры между магнитами и ротором 1 мм.

Теплоотводом моста служит задний подшипниковый щит, там же выходные клеммы генератора и вольтметр. Для защиты от дождя изготовлен кожух из ПВХ – герметичным исполнение не назовешь, но для походных условий вполне пригоден.

Сзади клеммы и встроенный вольтметр

Перед генератора, сюда турбинку

— Тестирование генератора —

Генератор действительно получился свертихоходным с параметрами близкими к расчётным. По результатам испытаний были сняты два видео: на первом – работа без нагрузки, на втором нагрузкой была лампа PY21W мощностью 21 вт.

Плечо оптимальное для зарядки 12 v

При вращении от руки можно длительное время заряжать 12 вольтовый аккумулятор током 2 ампера. Максимальный ток зарядки от ручного вращения – 4А. Вращать с такой скоростью утомительно, посему 2 ампера неограниченно долго.

Видео: Тестирование генератора на холостом ходу и нагрузке 21W

— Привод генератора —

Для ветропривода изготовлена 3-х лопастная турбинка диаметром 160 см. Для упрощения конструкции стабилизатор (хвост) отсутствует. Высота установки самого генератора небольшая, направление ветра меняется не часто – подойти и повернуть центральную стойку не сложно. По этой причине отказался от бурезащиты – городить складывание лопастей или делать увод от прямого потока не стал. Всегда можно замкнуть клеммы и ротор будет проворачиваться не быстрее аттракциона в парке, потом увести от ветра или положить. Все это позволило изготовить ветроустановку с небольшим весом и габаритами. Время разворачивания 30 мин. позволяет использовать ветряк на каждой днёвке/ночёвке. Вес 12 кг.

ПВХ труба диаметром 160 мм.

Три лопасти по 80 см. из метровой трубы

Профиль лопасти как у настоящего

Лопасти изготовлены из ПВХ трубы диаметром 160 мм, обработаны для придания обтекаемой формы и покрашены. Статическую балансировку сделал, динамическую не стал. Конструкция разборная и в следующий раз соберётся чуть, но по другому… посему толку в динамической нет.

Лопасти покрашены за три раза

Ступица ветроколеса в сборе

Штатив. Тут ничего делать не пришлось и все из имеющегося. Половинка мачты, гик, багор и трубка от «селфи-дубинки». Добавились наконечники из нержавеющей стали и опорные пластины, что бы конструкция не утопала в мягком грунте.