Vodní elektrárna svépomocí: jak postavit autonomní mini-vodní elektrárnu

Síla vodního proudu je obnovitelný přírodní zdroj, který umožňuje získávat téměř bezplatnou elektřinu. Energie darovaná přírodou poskytne možnost ušetřit na účtech za energie a vyřešit problém s dobíjením přístrojů.

Pokud poblíž vašeho domu protéká potok nebo řeka, vyplatí se je využít. Mohou zajistit elektřinu pro pozemek i dům. A pokud je vodní elektrárna postavena svépomocí, ekonomický efekt se mnohonásobně zvyšuje.

V předloženém článku jsou podrobně popsány technologie výroby soukromých vodních staveb. Řekli jsme, co je potřeba k sestavení systému a jeho připojení ke spotřebičům. U nás se dozvíte o všech variantách miniaturních dodavatelů energie, sestavených z dostupných materiálů.

Vodní elektrárny neprůmyslového určení

Vodní elektrárny jsou stavby schopné přeměnit energii pohybu vody na elektřinu. Alternativní “zelení” dodavatelé elektrické energie jsou v současnosti aktivně využívány pouze na Západě. Na území naší země toto perspektivní odvětví dělá jen první nesmělé kroky.

Malými soukromými vodními elektrárnami mohou být přehrady na velkých řekách, které produkují od desítek do několika set megawattů, nebo mini vodní elektrárny s maximálním výkonem 100 kW, které jsou zcela dostačující pro potřeby soukromého domu. A právě o těch posledních se dozvíme více.

Girlandová stanice s vodními vrtulemi

Konstrukce se skládá z řetězu rotorů upevněných na pružném ocelovém laně nataženém přes řeku. Samotné lano plní roli rotační hřídele, jejíž jeden konec je upevněn na nosném ložisku a druhý aktivuje hřídel generátoru.

Každý hydrorotor „girlandy“ je schopen produkovat asi 2 kW energie, pravda, rychlost vodního proudu musí být alespoň 2,5 metru za sekundu a hloubka vodního útvaru nesmí přesáhnout 1,5 m.

Princip činnosti girlandové vodní elektrárny je jednoduchý: tlak vody roztáčí hydrošrouby, ty otáčejí lano a nutí generátor vyrábět energii.

Girlandové stanice se úspěšně používaly již v polovině minulého století, ale roli šroubů tehdy hrály domácí vrtule a dokonce i konzervy. Dnes výrobci nabízejí několik typů rotorů pro různé provozní podmínky.

Jsou vybaveny lopatkami různých velikostí, vyrobenými z plechu, a umožňují dosáhnout maximální účinnosti provozu stanice.

Ale i když je tento hydrogenerátor na výrobu poměrně jednoduchý, jeho provoz vyžaduje řadu speciálních podmínek, které nejsou v reálném životě vždy proveditelné. Tato zařízení přehrazují koryto řeky a je nepravděpodobné, že by sousedé na břehu, nemluvě o zástupcích ekologických služeb, dovolili využívat energii toku pro vaše účely.

Kromě toho lze v zimním období zařízení používat pouze na nezamrzajících vodních plochách, a v podmínkách drsného klimatu je nutné jej zakonzervovat nebo demontovat. Proto se girlandové stanice staví dočasně a převážně v neobydlených oblastech (například u letních pastvin).

Rotační stanice o výkonu 1 až 15 kW vyrábějí až 9,3 MWh za měsíc a umožňují samostatně řešit problém elektrifikace v regionech vzdálených od centralizovaných sítí.

Moderní obdoba girlandového zařízení – ponorné nebo plovoucí rámové stanice s příčnými rotory. Na rozdíl od své girlandové předchůdkyně tyto konstrukce neblokují celou řeku, ale využívají pouze část koryta, přičemž je lze instalovat na ponton/vor nebo dokonce spustit na dno vodní plochy.

Vertikální rotor Darrieus

Darrieův rotor je turbínové zařízení, které dostalo své jméno podle vynálezce v roce 1931. Systém se skládá z několika aerodynamických lopatek upevněných na radiálních nosnících a pracuje na principu tlakového rozdílu podle principu „vztlakového křídla“, který je široce využíván v loďařství a letectví.

I když se taková zařízení používají spíše pro stavbu větrných generátorů, mohou fungovat i s vodou. V tomto případě jsou však nutné přesné výpočty, aby se tloušťka a šířka lopatek přizpůsobily síle vodního proudu.

Darrieův rotor připomíná „větrník“, pouze umístěný pod vodou, přičemž může pracovat nezávisle na sezónních výkyvech rychlosti proudu.

Pro stavbu lokálních vodních elektráren se vertikální rotory používají jen zřídka. Navzdory solidním parametrům účinnosti a zdánlivé jednoduchosti konstrukce je zařízení poměrně složité na provoz.

Před zahájením práce je třeba systém „roztáčet“, ale zastavit spuštěnou stanici může pouze zamrznutí vodní plochy. Proto se Darrieův rotor používá převážně v průmyslových podnicích.

Zajímavé řešení v oblasti projektování malých vodních elektráren s vertikálně pracující turbínou navrhl rakouský vynálezce Franz Cotlötetrer:

Významným plusem vírových elektráren je zcela oprávněně považováno zachování rybích zdrojů. Provoz vertikální turbíny nepoškozuje živé organismy řeky. Navíc na stěnách staveb nezůstává bahno kvůli specifickému pohybu vodního proudu.

Podvodní šroubová vrtule

V podstatě se jedná o nejjednodušší vzdušný větrák, jen se instaluje pod vodou. Rozměry lopatek, aby byla zajištěna maximální rychlost otáčení a minimální odpor, se vypočítávají v závislosti na síle proudění. Například pokud rychlost proudu nepřesahuje 2 m/s, měla by být šířka lopatky v rozmezí 2–3 cm.

Podvodní propeler není složité vyrobit vlastníma rukama, ale hodí se pouze pro hluboké a rychlé řeky – v mělké vodě mohou rotující lopatky způsobit zranění rybářům, koupajícím se, vodním ptákům a zvířatům.

Takový větrák se instaluje „proti“ proudu, ale jeho lopatky nepracují díky tlaku vodního proudu, ale díky vzniku vztlakové síly (podle principu křídla letadla nebo lodního šroubu).

Vodní kolo s lopatkami

Vodní kolo – jeden z nejjednodušších typů hydraulického motoru, známý již od dob Římské říše. Účinnost jeho práce do značné míry závisí na typu zdroje, na kterém bylo instalováno.

Podháněné kolo se může otáčet pouze díky rychlosti proudu, zatímco náhonové kolo pomocí tlaku a hmotnosti vody dopadající shora na lopatky.

V závislosti na hloubce a korytu vodního toku lze instalovat různé typy kol:

• Podháněné (neboli spodní) – jsou vhodné pro mělké řeky s rychlým proudem.
• Střední (neboli středově vodní) – jsou umístěna v korytech s přírodními kaskádami tak, aby proud dopadal přibližně na střed otáčejícího se bubnu.
• Nadstavbová (nebo hornonárazová) – instaluje se pod hrází, trubkou nebo v dolní části přirozeného prahu, aby padající voda pokračovala v cestě přes vrchol kola.

Ale princip činnosti je u všech variant stejný: voda dopadá na lopatky a uvádí do pohybu kolo, které roztáčí generátor pro mini-elektrárnu.

Výrobci hydrozařízení nabízejí hotové turbíny, jejichž lopatky jsou speciálně přizpůsobeny určité rychlosti vodního toku. Ale domácí kutilové vyrábějí bubnové konstrukce po staru – z dostupných materiálů.

Seznámit se s kroky stavby nejjednodušší varianty mini vodní elektrárny pomůže následující fotovýběr:

Možná se nedostatek optimalizace projeví na ukazatelích účinnosti, zato vlastní náklady na domácí zařízení budou několikanásobně nižší než u kupované alternativy. Proto je vodní kolo nejoblíbenější variantou pro zařízení vlastní mini vodní elektrárny.

Podmínky pro instalaci vodní elektrárny

Navzdory lákavé levnosti energie vyráběné hydrogenerátorem je důležité zohlednit vlastnosti vodního zdroje, jehož zdroje plánujete využít pro vlastní potřeby.

Vždyť ne každý vodní tok je vhodný pro provoz mini vodní elektrárny, zvláště celoroční, proto není na škodu mít v záloze možnost připojení k centralizované síti.

Několik „pro“ a „proti“

Hlavní výhody individuální vodní elektrárny jsou zřejmé: levné zařízení, které vyrábí levnou elektřinu, a navíc neškodí přírodě (na rozdíl od přehrad, které blokují tok řeky). I když systém nelze nazvat zcela bezpečným – přece jen rotující části turbín mohou způsobit zranění obyvatelům podvodního světa a dokonce i lidem.

Aby se předešlo nehodám, je třeba vodní elektrárnu ohradit, a pokud je systém zcela skrytý pod vodou – umístit na břehu varovnou značku.

Výhody mini vodní elektrárny:

1. Na rozdíl od jiných «bezplatných» zdrojů energie (solárních panelů, větrných generátorů) mohou vodní systémy pracovat nezávisle na denní době a počasí. Jediné, co jim může bránit – zamrznutí vodní plochy.
2. Pro instalaci vodního generátoru není nutná velká řeka – stejná vodní kola lze s úspěchem použít i v malých (ale rychlých!) potocích.
3. Zařízení nevypouštějí škodlivé látky, neznečišťují vodu a pracují téměř bezhlučně.
4. Pro montáž mini vodní elektrárny o výkonu do 100 kW není třeba vyřizovat povolovací dokumentaci (i když vše závisí na místních úřadech a typu zařízení).
5. Přebytek elektřiny lze prodávat do sousedních domů.

Co se týče nevýhod – vážnou překážkou pro produktivní provoz zařízení může být nedostatečná síla proudu. V takovém případě bude nutné postavit pomocná zařízení, což je spojeno s dodatečnými náklady.

Pokud potenciální energie blízké řeky při přibližném výpočtu nebude stačit k výrobě elektřiny v objemu dostačujícím pro praktické použití, stojí za to věnovat pozornost způsobům stavby větrných generátorů. Větrník poslouží jako účinný doplněk.

Měření síly vodního proudu

První věc, kterou je třeba udělat, abyste se zamysleli nad typem a způsobem montáže stanice, – změřit rychlost vodního proudu na vybraném zdroji.

Nejjednodušší způsob – spustit do proudu jakýkoli lehký předmět (například tenisový míček, kus polystyrenu nebo rybářský splávek) a stopkami změřit čas, za který urazí vzdálenost k nějakému orientačnímu bodu. Standardní vzdálenost pro «plavbu» – 10 metrů.

Pokud se vodní plocha nachází poněkud daleko od domu, lze postavit odvodní kanál nebo potrubí, a zároveň se postarat o výškové rozdíly.

Nyní je třeba uraženou vzdálenost v metrech vydělit počtem sekund – to bude rychlost proudu. Pokud však bude získaná hodnota menší než 1 m/s, bude nutné postavit umělé stavby, aby se proud urychlil pomocí výškových rozdílů.

To je reálně proveditelné pomocí rozebíratelné přehrady nebo úzké odpadní trubky. Bez dobrého proudu je však třeba od myšlenky na vodní elektrárnu upustit.

Výroba MVE na bázi vodního kola

Samozřejmě, postavit 'na koleni' a vztyčit monstrum určené k obsluze podniku nebo obce i z tuctu domů – to je nápad z říše fantazie. Ale postavit vlastníma rukama mini-vodní elektrárnu pro úsporu elektřiny – to je zcela reálné. Navíc lze použít jak hotové komponenty, tak i po ruce dostupné materiály.

Proto se krok za krokem podíváme na výrobu nejjednodušší stavby – vodního kola.

Potřebné materiály a nástroje

K výrobě mini-vodní elektrárny vlastníma rukama je třeba připravit svářečku, úhlovou brusku, vrtačku a sadu pomocných nástrojů – kladivo, šroubovák, pravítko.

Z materiálů budete potřebovat:

• Úhelníky a plech o tloušťce nejméně 5 mm.
• Trubky z PVC nebo pozinkované oceli pro výrobu lopatek.
• Generátor (lze použít hotový zakoupený nebo si vyrobit vlastní, jako v tomto příkladu).
• Brzdové kotouče.
• Hřídel a ložiska.
• Překližka.
• Polystyrenová pryskyřice pro zalití rotoru a statoru.
• Měděný drát o průměru 15 mm pro domácí generátor.
• Neodymové magnety.

Mějte na paměti, že konstrukce kola bude neustále v kontaktu s vodou, proto je třeba vybírat kovové a dřevěné prvky s ochranou proti vlhkosti (nebo se postarat o jejich impregnaci a natření sami). Ideálně lze překližku nahradit plastem, ale dřevěné díly se snáze shánějí a dají se jim snáze dát potřebný tvar.

Sestavení kola a výroba trysky

Základem samotného kola mohou být dva ocelové disky stejného průměru (pokud je možné sehnat ocelový buben z kabelu – výborně, to značně urychlí proces montáže).

Pokud se však v po ruce dostupných materiálech nenašel kov, lze vyříznout kruhy i z vodovzdorné překližky, i když pevnost a životnost ani ošetřeného dřeva se nevyrovná oceli. Poté je třeba na jednom z disků vyříznout kruhový otvor pro instalaci generátoru.

Poté se vyrobí lopatky, a bude jich potřeba nejméně 16 ks. K tomu se pozinkované trubky rozříznou podélně na dvě nebo čtyři části (v závislosti na průměru). Poté je třeba místa řezu a samotný povrch lopatek obrousit, aby se snížily energetické ztráty třením.

Lopatky se instalují pod úhlem přibližně 40–45 stupňů – to pomůže zvětšit plochu povrchu, na který bude působit síla proudu.

Vzdálenost mezi dvěma bočními disky by měla být co nejvíce přiblížena délce lopatek. K vyznačení místa pro budoucí náboje se doporučuje vyrobit šablonu z překližky, na které bude vyznačeno místo pro každý díl a otvory pro upevnění kola ke generátoru. Hotové značení lze připevnit na vnější stranu jednoho z disků.

Poté se kruhy instalují paralelně k sobě pomocí tyčí s plným závitem a lopatky se přivaří nebo upevní šrouby v potřebných polohách. Buben se bude otáčet na ložiskách a jako podpěra se použije rám z úhelníků nebo trubek malého průměru.

V této fázi lze montáž bubnu považovat za dokončenou, zbývá jej vybavit vlastnoručně vyrobeným generátorem a tryskou směřující proud vody.

Tryska je určena pro vodní zdroje kaskádového typu – takové zařízení umožní využít energii proudu na maximum. Tento pomocný prvek se vyrábí ohýbáním plechu a následným svařováním švů, poté se nasazuje na trubku.

Pokud však ve vaší oblasti teče nížinná řeka bez peřejí a jiných výškových překážek, není tato součást nutná.

Je důležité, aby šířka výstupního otvoru trysky odpovídala šířce samotného kola, jinak bude část proudu probíhat „naprázdno“, aniž by dopadala na lopatky.

Nyní je třeba nasadit kolo na osu a upevnit na podpěru z svařených nebo šrouby spojených úhelníků. Zbývá vyrobit generátor (nebo nainstalovat hotový) a můžeme vyrazit k řece.

Generátor svépomocí

Pro výrobu vlastnoručního generátoru je třeba provést vinutí a zalití statoru, k čemuž budou potřeba cívky se 125 závity měděného drátu na každé. Po jejich spojení se celá konstrukce zalije polyesterovou pryskyřicí.

Každá fáze se skládá ze tří sériově připojených svazků, proto lze spojení provést ve tvaru hvězdy nebo trojúhelníku s několika vnějšími vývody.

Nyní je třeba připravit překližkovou šablonu, která se rozměrově shoduje s brzdovým kotoučem.

Na dřevěném prstenci se provede značení a udělají se drážky pro instalaci magnetů (v tomto případě byly použity neodymové magnety o tloušťce 1,3 cm, šířce 2,5 cm a délce 5 cm). Poté se získaný rotor také zalije pryskyřicí a po vysušení – se připojí k bubnu kola.

Vodní kolo s rotorem z brzdových kotoučů a generátorem ze svazků měděného drátu – natřené, reprezentativní a připravené k provozu.

Jako poslední se montuje hliníkový kryt s ampérmetrem, který zakrývá usměrňovače. Úkolem těchto prvků je přeměňovat třífázový proud na stejnosměrný.

Po instalaci kola do proudu malé říčky s kaskádou nebo odbočnou trubkou lze počítat s výkonem mini-vodní elektrárny 1,9A * 12V při 110 otáčkách za minutu.

Aby se do kola nedostaly listí, písek a jiné nečistoty přinesené proudem, je vhodné před zařízení umístit ochrannou síť.

Můžete také experimentovat s mezerami mezi magnety a cívkami s větším počtem závitů, abyste zvýšili účinnost vodní elektrárny.

O všech typech alternativních zdrojů energie se dozvíte, když si přečtete článek věnovaný zavádění “zelených technologií” do domácnosti.

Závěry a užitečné video k tématu

Video #1. Příklad fungujícího hydrozařízení s vlastnoručně vyrobeným generátorem na bázi třífázového motoru:

Video #2. Malá vodní elektrárna zkonstruovaná na principu vodního kola:

Video #3. Stanice na bázi jízdního kola – zajímavá varianta řešení problému s energetickým zabezpečením na dovolené daleko od civilizace:

Jak vidíte, postavit vodní mini-elektrárnu vlastníma rukama není tak složité. Ale protože většina výpočtů a parametrů pro její součásti se určuje „od oka“, je třeba být připraven na možné poruchy a související náklady.

Pokud pociťujete nedostatek znalostí a zkušeností v této oblasti, vyplatí se svěřit odborníkům, kteří provedou všechny potřebné výpočty, doporučí optimální zařízení pro váš případ a kvalitně provedou jeho instalaci.

Napište prosím komentáře do bloku níže. Sdílejte zajímavé informace a užitečná doporučení, přidávejte tematické fotografie. Možná chcete vyprávět, jak jste vlastníma rukama postavili funkční vodní elektrárnu na vašem venkovském pozemku? Budeme rádi, když si přečteme váš příběh o procesu stavby a provozu.