Самодельная гидроэлектростанция своими руками: Автономная мини-гидроэлектростанция (ГЭС) своими руками

Содержание

Автономная мини-гидроэлектростанция (ГЭС) своими руками

Сила водного потока – это возобновляемый природный ресурс, позволяющий получать практически бесплатное электричество. Подаренная природой энергия предоставит возможность сэкономить на коммунальных услугах и решить проблему с подзарядкой техники.

Если рядом с вашим домом протекает ручей или река, ими стоит воспользоваться. Они смогут обеспечить электроэнергией участок и дом. А уж если построена гидроэлектростанция своими руками, экономический эффект возрастает в разы.

В представленной статье детально описаны технологии изготовления частных гидротехнических сооружений. Мы рассказали о том, что потребуется для устройства системы и подключения ее к потребителям. У нас вы узнаете о всех вариантах миниатюрных поставщиков энергии, собранных из подручных материалов.

Содержание статьи:

Гидроэлектростанции непромышленного назначения

Гидроэлектростанции – это сооружения, способные преобразовать энергию движения воды в электричество. пока активно эксплуатируются только на Западе. На территории нашей страны эта перспективная отрасль лишь делает первые робкие шаги.

Галерея изображений

Фото из

Получение электроэнергии при извлечении потенциала воды — одно из перспективных направлений «зеленой» энергетики. Ее плюсы заключаются в использовании неисчерпаемых бесплатных ресурсов планеты с нанесением наименьшего ущерба природной обстановке

К объектам, задействованным в сфере малой гидроэнергетики, относятся мини гидроэлектростанции, вырабатывающие от 3-100 кВт до 25 МВт

Для получения электричества при использовании энергии воды необязательно наличие бурной горной реки или сооружение большой плотины. Достаточно сузить русло небольшой речки или ручья

Турбину небольшой гидроэлектростанции сможет заставить вращаться даже относительно небольшой по объему канал, в который вода поступает из близлежащего водоема или речки

Небольшие ГЭС, устроенные прямо в потоке воды просты, но не позволяют регулировать силу и объем стока. Возможность регулировки обеспечит миниатюрное водохранилище

Наиболее перспективными для организации мини ГЭС являются горные ручьи с характерной разницей высот в русле. Однако подобные условия можно создать и для речки, текущей по равнинной местности

Повысить производительность миниатюрной ГЭС помогут всевозможные водообороты и завихрения, которые можно соорудить искусственно, путем заливки бетонных конструкций

Для увеличения КПД разработчиками малых гидроэлектростанций усовершенствуются турбины. К примеру, обычное колесо с лопастями заменяется многовитковым шнеком

Использование воды для получения электроэнергии

Один из традиционных вариантов малой гидроэнергетики

Сужение канала для извлечения энергии

Устройство направленного на лопасти канала

Приплотинный вариант с небольшим водохранилищем

Разница высоты в русле ручья или речки

Искусственно сооруженное завихрение

Шнековый тип турбины с повышенным КПД

Небольшими частными гидроэлектростанциями могут быть плотины на больших реках, вырабатывающие от десятка до нескольких сотен мегаватт или мини-ГЭС с максимальной мощностью в 100 кВт, которых вполне достаточно для нужд частного дома. Вот о последних и узнаем подробней.

Гирляндная станция с гидровинтами

Конструкция состоит из цепи роторов, закрепленных на гибком стальном тросе, перетянутом поперек реки. Сам трос исполняет роль вращательного вала, один конец которого фиксируется на опорном подшипнике, а второй – активирует вал генератора.

Каждый гидроротор «гирлянды» способен вырабатывать около 2 кВт энергии, правда, скорость водного потока для этого должна быть не менее 2,5 метров в секунду, а глубина водоема не превышать 1,5 м.

Принцип действия гирляндной ГЭС прост: напор воды раскручивает гидровинты, а те вращают трос и заставляют генератор вырабатывать энергию

Гирляндные станции с успехом использовались еще в середине прошлого века, но роль винтов тогда играли самодельные пропеллеры и даже консервные банки. Сегодня же производители предлагают несколько видов роторов для различных условий эксплуатации.

Они комплектуются лопастями разного размера, изготовленными из листового металла, и позволяют получить максимальный КПД от работы станции.

Но хотя в изготовлении этот гидрогенератор достаточно прост, его эксплуатация предполагает ряд специальных условий, не всегда осуществимых в реальной жизни. Такие сооружения перегораживают русло реки, и вряд ли соседи по берегу, не говоря уже о представителях экологических служб, разрешат использовать энергию потока для ваших целей.

Кроме того, в зимний период установку использовать можно только на незамерзающих водоемах, а в условиях сурового климата – консервировать или демонтировать. Поэтому гирляндные станции возводятся временно и преимущественно в безлюдной местности (например, около летних пастбищ).

Роторные станции мощностью от 1 до 15 кВт/час вырабатывают до 9,3 МВт за месяц и позволяют самостоятельно решить проблему с электрификацией в регионах, отдаленных от централизованных магистралей

Современный аналог гирляндной установки – погружные или наплывные рамные станции с поперечными роторами. В отличие от своей гирляндной предшественницы, эти конструкции не перегораживают всю реку, а задействуют только часть русла, причем установить их можно на понтоне/плоте или вовсе опустить на дно водоема.

Вертикальный ротор Дарье

Ротор Дарье – устройство турбины, которое получило название в честь своего изобретателя в 1931 г. Система состоит из нескольких аэродинамических лопастей, зафиксированных на радиальных балках, и работает за счет перепада давления по принципу «подъемного крыла», который широко задействован в кораблестроительстве и авиации.

Хотя такие установки больше используются для создания ветрогенераторов, они могут работать и с водой. Но в этом случае нужны точные расчеты, чтобы подобрать толщину и ширину лопастей в соответствии с силой водного потока.

Ротор Дарье напоминает «ветряк», только установленный под водой, причем работать он может вне зависимости от сезонных колебаний скорости потока

Для создания локальных гидростанций вертикальные роторы используется редко. Несмотря на неплохие показатели КПД и кажущуюся простоту конструкции, оборудование достаточно сложное в эксплуатации.

Перед началом работы систему нужно «раскрутить», зато и остановить запущенную станцию сможет только замерзание водоема. Поэтому используется ротор Дарье преимущественно на промышленных предприятиях.

Интересное решение в сфере проектирования малых ГЭС с вертикально работающей турбиной предложил австрийский изобретатель Франц Цотлётерер:

Галерея изображений

Фото из

Мини станция водоворотно-гравитационного действия

Сооружение отдельного канала с водоворотом

Турбина в центре вращения

Устройства для сбора вырабатываемой энергии

Веским плюсом водоворотных станций вполне обоснованно считается сохранение рыбных ресурсов. Работа вертикальной турбины не наносит вреда живым организмам реки. К тому же на стенках сооружений не задерживается тина из-за специфического движения потока воды.

Подводный винтовой пропеллер

По сути, это самый простой воздушный ветряк, только устанавливается он под водой. Размеры лопастей, чтобы обеспечить максимальную скорость вращения и минимум сопротивления, рассчитываются в зависимости от силы движения потока. Например, если скорость течения не превышает 2 м/сек, то ширина лопасти должна быть в пределах 2-3 см.

Подводный пропеллер несложно сделать своими руками, но он подходит только для глубоких и быстрых рек – на мелком водоеме вращающиеся лопасти могут нанести травмы рыбакам, купальщикам, водоплавающим птицам и животным

Такой ветряк устанавливается «навстречу» потоку, но его лопасти работают не за счет давления водного напора, а благодаря возникновению подъемной силы (по принципу самолетного крыла или винта корабля).

Водяное колесо с лопастями

Водяное колесо – один из простейших вариантов гидравлического двигателя, известный еще со времен Римской Империи. Эффективность его работы во многом зависит от типа источника, на котором его установили.

Подливное колесо может вращаться только благодаря скорости потока, а наливное – с помощью напора и веса воды, ниспадающей сверху на лопасти

В зависимости от глубины и русла водотока можно установить различные типы колес:

  • Подливные (или нижнебойные) – подойдут для мелководных рек с быстрым течением.
  • Среднебойные – располагаются в руслах с природными каскадами так, чтобы поток попадал приблизительно на середину вращающегося барабана.
  • Наливные (или верхнебойные) – устанавливаются под плотиной, трубой или в нижней части естественного порога, чтобы ниспадающая вода продолжила путь через вершину колеса.

Но принцип работы у всех вариантов один и тот же: вода попадает на лопасти и приводит в действие колесо, которое заставляет вращаться генератор для миниэлектростанции.

Производители гидрооборудования предлагают готовые турбины, лопасти которых специально адаптированы под определенную скорость водного потока. Но домашние умельцы изготавливают барабанные конструкции по старинке – из подручных материалов.

Ознакомиться с шагами сооружения простейшего варианта мини ГЭС поможет следующая фото-подборка:

Галерея изображений

Фото из

Шаг 1: Сужение русло и формирование перепада

Шаг 2: Раскрой деталей для сборки турбины

Шаг 3: Фиксация лопастей в самодельной турбине

Шаг 5: Установка опоры в русле ручья

Шаг 5: Установка турбины на опорную конструкцию

Шаг 6: Подключение генератора и аккумуляторов

Шаг 7: Устройство ременной передачи

Шаг 8: Тестирование устройства после сборки

Возможно, отсутствие оптимизации отразится на показателях КПД, зато себестоимость самодельного оборудования обойдется в разы дешевле покупного аналога. Поэтому водяное колесо наиболее популярный вариант для организации собственной мини-ГЭС.

Условия для установки гидроэлектростанции

Несмотря на заманчивую дешевизну энергии, вырабатываемую гидрогенератором, важно учесть особенности водного источника, ресурсы которого вы планируете задействовать для собственных нужд.

Ведь далеко не каждый водоток подойдет для эксплуатации мини-ГЭС, тем более круглогодичной, поэтому не помешает иметь в резерве возможность подключения к централизованной магистрали.

Несколько «за» и «против»

Основные плюсы индивидуальной гидроэлектростанции очевидны: недорогое оборудование, которое вырабатывает дешевое электричество, да еще и природе не вредит (в отличие от плотин, перекрывающих ток реки). Хотя абсолютно безопасной систему назвать нельзя – все-таки вращающиеся элементы турбин могут нанести травмы жителям подводного мира и даже людям.

Чтобы предупредить несчастные случаи, гидростанцию нужно оградить, а если система полностью скрыта водой – установить на берегу предупреждающий знак

Преимущества мини-ГЭС:

  1. В отличие от других «бесплатных» энергоисточников (солнечных батарей, ветрогенераторов), гидросистемы могут работать вне зависимости от времени суток и погоды. Единственное, что может им помешать – замерзание водоема.
  2. Для установки гидрогенератора необязательно наличие большой реки – те же водяные колеса с успехом можно использовать даже в мелких (но быстрых!) ручьях.
  3. Установки не выделяют вредных веществ, не загрязняют воду и работают практически бесшумно.
  4. Для монтажа мини-ГЭС мощностью до 100 кВт не нужно оформлять разрешительную документацию (хотя все зависит от местных властей и типа установки).
  5. Избыток электричества можно продавать в соседние дома.

Что касается недостатков – серьезной помехой для продуктивной эксплуатации оборудования может стать недостаточная сила течения. В этом случае придется возводить вспомогательные сооружения, что сопряжено с дополнительными затратами.

Если потенциальной энергии расположенной рядом реки при приблизительном расчете не хватит на выработку электричества в объеме, достаточном для практического применения, стоит обратить внимание на . Ветряк послужит эффективным дополнением.

Измерение силы водного потока

Первое, что нужно сделать, чтобы задуматься о виде и способе монтажа станции, – измерить скорость водного потока на облюбованном источнике.

Самый простой способ – опустить на стремнину любой легкий предмет (например, теннисный мячик, кусок пенопласта или рыбацкий поплавок) и засечь секундомером время, за которое он проплывет расстояние до какого-нибудь ориентира. Стандартная дистанция для «заплыва» – 10 метров.

Если водоем находится далековато от дома, можно построить отводной канал или трубопровод, и заодно и позаботиться о перепадах высоты

Теперь нужно пройденное расстояние в метрах разделить на количество секунд – это и будет скорость течения. Но если полученное значение будет меньше 1 м/сек, потребуется возвести искусственные сооружения, чтобы ускорить поток перепадами высот.

Это реально осуществить с помощью разборной плотины или неширокой сливной трубы. Но без хорошего течения от идеи с гидростанцией придется отказаться.

Изготовление ГЭС на основе водяного колеса

Разумеется, собрать «на коленке» и возвести махину, предназначенную для обслуживания предприятия или населенного пункта даже из десятка домов – идея из области фантастики. Но соорудить своими руками мини-ГЭС для экономии электричества – вполне реально. Причем задействовать можно как готовые комплектующие, так и подручные материалы.

Поэтому рассмотрим пошагово изготовление наиболее простого сооружения – водяного колеса.

Необходимые материалы и инструменты

Чтобы сделать своими руками мини-ГЭС, нужно подготовить сварочный аппарат, болгарку, дрель и набор вспомогательных инструментов – молоток, отвертку, линейку.

Из материалов понадобятся:

  • Уголки и листовой металл толщиной не менее 5 мм.
  • Трубы из ПВХ или оцинкованной стали для изготовления лопастей.
  • Генератор (можно использовать готовый покупной или сделать самому, как в данном примере).
  • Тормозные диски.
  • Вал и подшипники.
  • Фанера.
  • Полистироловая смола для заливки ротора и статора.
  • Медный провод на 15 мм для самодельного генератора.
  • Неодимовые магниты.

Учтите, что конструкция колеса будет постоянно контактировать с водой, поэтому металлические и деревянные элементы необходимо выбирать с защитой от влаги (или позаботится об их пропитке и покраске самостоятельно). В идеале, фанеру можно заменить пластиком, но деревянные детали проще достать и придать им нужную форму.

Сборка колеса и изготовление сопла

Основой для самого колеса могут стать два стальных диска одинакового диаметра (если есть возможность достать стальной барабан от кабеля – отлично, это намного ускорит процесс сборки).

Но если металла в подручных материалах не нашлось, можно вырезать круги и из водостойкой фанеры, хотя прочность и срок службы даже обработанного дерева не сравнится со сталью. Затем на одном из дисков нужно прорезать круглое отверстие под установку генератора.

После этого изготавливаются лопасти, а их понадобится не меньше 16 шт. Для этого оцинкованные трубы разрезаются вдоль на две или четыре части (зависит от диаметра). Затем места резки и саму поверхность лопастей нужно отшлифовать, чтобы уменьшить потери энергии при трении.

Лопасти устанавливаются под наклоном примерно в 40-45 градусов – это поможет увеличить площадь поверхности, на которую будет воздействовать сила потока

Расстояние между двумя боковыми дисками должно быть максимально приближено к длине лопастей. Чтобы наметить место для расположения будущих ступиц, рекомендуется сделать шаблон из фанеры, на котором будет обозначено место для каждой детали и отверстия для фиксации колеса к генератору. Готовую разметку можно прикрепить на внешней стороне одного из дисков.

Затем круги устанавливаются параллельно друг к другу с помощью стержней со сплошной резьбой, а лопасти привариваются или фиксируются болтами в нужных позициях. Барабан будет вращаться на подшипниках, а в качестве опоры используется рама из уголков или труб небольшого диаметра.

На этом этапе сборку барабана можно считать законченной, осталось оснастить его самодельным генератором и соплом, направляющим поток воды

Сопло предназначено для водных источников каскадного типа – такая установка позволит использовать энергию потока по максимуму. Изготавливается этот вспомогательный элемент путем выгибания листового металла с последующей сваркой швов, а после насаживается на трубу.

Однако если в вашей местности протекает равнинная река без порогов и других высотных препятствий, в этой детали нет необходимости.

Важно, чтобы ширина выходного отверстия сопла соответствовала ширине самого колеса, иначе часть потока будет идти «вхолостую», не попадая на лопасти

Теперь колесо нужно насадить на ось и установить на подпорку из сваренных или скрепленных болтами уголков. Осталось сделать генератор (или установить готовый) и можно отправляться к реке.

Генератор своими руками

Для изготовления самодельного генератора нужно сделать обмотку и заливку статора, для чего понадобятся катушки со 125-ю витками медной проволоки на каждой. После их соединения вся конструкция заливается полиэстеровой смолой.

Каждая фаза состоит из трех последовательно прикрепленных мотков, поэтому соединение можно сделать в форме звезды или треугольника с несколькими наружными выводами

Теперь нужно подготовить фанерный шаблон, совпадающий по размерам с тормозным диском.

На деревянном кольце выполняется разметка и делаются прорези для установки магнитов (в данном случае использовались неодимовые магниты толщиной 1,3 см, шириной 2,5 см и длиной 5 см). Затем полученный ротор также заливается смолой, а после просушки – присоединяется к барабану колеса.

Водяное колесо с ротором из тормозных дисков и генератором из мотков медной проволоки – окрашенное, презентабельное и готовое к эксплуатации

Последним монтируется алюминиевый кожух с амперметром, закрывающий выпрямители. Задача этих элементов – преобразовывать трехфазный ток в постоянный.

После установки колеса в поток небольшой речки с каскадом или отводной трубой, можно рассчитывать на производительность мини-ГЭС в 1,9А * 12В при 110 оборотах за минуту

Чтобы в колесо не попадали листья, песок и другой мусор, принесенный с потоком, желательно поставить перед устройством защитную сетку.

Также можно поэкспериментировать с зазорами между магнитами и катушками с увеличенным количеством витков для увеличения КПД гидростанции.

О всех видах вы узнаете, ознакомившись со статьей, посвященной внедрению в быт “зеленых технологий”.

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Пример работающей гидроустановки с самодельным генератором на базе трехфазного двигателя:

Видео #2. Мини-ГЭС, сконструированная по принципу водяного колеса:

Видео #3. Станция на основе велосипедного колеса – интересный вариант решения проблемы с энергообеспечением на отдыхе вдали от цивилизации:

Как видите, построить водяную миниэлектростанцию своими руками не так уж и сложно. Но так как большинство расчетов и параметров для ее комплектующих определяется «на глазок», следует быть готовым к возможным поломкам и сопутствующим затратам.

Если вы чувствуете нехватку знаний и опыта в данной сфере, стоит довериться специалистам, которые выполнят все необходимые расчеты, посоветуют оптимальное для вашего случая оборудование и качественно произведут его установку.

Пишите, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке. Делитесь интересными сведениями и полезными рекомендациями, оставляйте тематические фото. Возможно, вы хотите рассказать, как соорудили собственными руками действующую гидроэлектростанцию на загородном участке? Будем рады прочитать ваш рассказ о процессе устройства и эксплуатации.

Бесплатное электричество — мини ГЭС своими руками

Если у Вашего жилища протекает река или даже небольшой ручей, то с помощью самодельной мини ГЭС Вы можете получить бесплатную электроэнергию. Возможно это будет не очень большое пополнение бюджета, но осознание того, что у Вас есть своя собственная электроэнергия — стоит гораздо дороже. Ну а если, например на даче, нет центрального электроснабжения — то даже небольшие мощности электроэнергии будут просто необходимы. И так, для создания самодельной гидроэлектростанции необходимо как минимум два условия — наличие водяного ресурса и желание.

Если и то и другое присутствует, то то первое, что нужно сделать – это измерить скорость потока реки. Сделать это очень просто — бросаете в реку веточку и замерьте время, в течении которого она проплывет 10 метров. Поделив метры на секунды, вы получите скорость течения в м/с. Если скорость меньше 1 м/с, то продуктивной мини ГЭС не получится. В этом случае можно попробовать увеличить скорость потока искусственно заузив русло или сделав небольшую плотину, если имеете дело с не большим ручьем.

Для ориентира, можно использовать соотношение между скоростью потока в м/с и мощностью снимаемой электроэнергии с вала винта в кВт (диаметр винта 1 метр). Данные экспериментальные, в реальности полученная мощность зависит от многих факторов, но для оценки подойдет. Так:

  • 0.5 м/с – 0.03 кВт,
  • 0.7 м/с – 0.07 кВт,
  • 1 м/с – 0.14 кВт,
  • 1.5 м/с – 0.31 кВт,
  • 2 м/с – 0.55 кВт,
  • 2.5 м/с – 0.86 кВт,
  • 3 м/с -1.24 кВт,
  • 4 м/с – 2.2 кВт и т.д.

Мощность самодельной мини ГЭС пропорциональна кубу скорости потока. Как уже указывалось, если скорость течения недостаточная, попробуйте ее искусственно увеличить, если это конечно возможно.

Типы мини-ГЭС

Существует несколько основных вариантов самодельных мини гидроэлектростанций.

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.


Это ротор с вертикальной осью вращения, используемый для генерации электрической энергии.

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. Эта конструкция была запатентована Жорж Жан-Мари Дарье, французским авиационным инженером в 1931 году. Также часто используется в конструкциях ветрогенераторов.

Гирляндная гидроэлектростанция состоит из легких турбин — гидровингроторов, нанизанных и жестко закрепленными в виде гирлянды на тросе, переброшенном через реку. Один конец троса закрепляется в опорном подшипнике, второй — вращает ротор генератора. Трос в этом случае играет роль своеобразного вала, вращательное движение которого передается к генератору. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос.


Также заимствован из конструкций ветровых электростанций, такой себе «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. Пропеллер движется не за счет давления воды, а за счет возникновения подъемной силы. Так же как крыло самолета. Лопасти пропеллера движутся поперек потока, а не увлекаются потоком в направлении течения.

Преимущества и недостатки различных систем самодельной мини ГЭС

Недостатки гирляндной ГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих ( длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это своего рода небольшая плотина. Целесообразно использовать в безлюдных, удаленных местах с соответствующими предупредительными знаками. Возможно потребуется разрешение властей и экологов. Второй вариант — небольшой ручей у Вас в огороде.

Ротор Дарье — сложен в расчете и 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 — это плюс.

Наибольшее распространение при построении самодельных гидроэлектростанций получили схемы пропеллера и водяного колеса. Так как эти варианты сравнительно просты в изготовлении, требуют минимальных расчетов и реализуются при минимальных затратах, имеют высокий КПД, просты в настройке и эксплуатации.

Пример простейшей мини-ГЭС

Простейшую гидроэлектростанцию можно быстро соорудить из обычного велосипеда с динамкой для велофары. Из оцинкованного железа или не толстого листового алюминия надо заготовить несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Эти лопасти устанавливаются между спицами любым подручным способом или заранее заготовленными креплениями.

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. С глубиной погружения колеса с лопастями в воду можете поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.

Вариант походной ветроэлектростанции рассматривался ранее.

Такая микро ГЭС не занимает много места и отлично послужит велотуристам — главное наличие ручья или речушки — что обычно и есть в месте разбивки лагеря. Мини ГЭС из велосипеда сможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны или другие гаджеты.

Источник

Гидрогенератор своими руками или самодельная гидроэлектростанция

Гидрогенератор своими руками или самодельная гидроэлектростанция


Всегда хотел получить электричество из ручья, протекающего по периметру моего дома. Около трех лет назад я установил временную турбину, чтобы проверить, будет ли работоспособным турбинное колесо большего размера.

Демо-версия этого колеса была сделана из старых подставок для абразивных кругов и деревянных паллет в качестве лопастей.

В качестве генератора я использовал старую ленту постоянного тока из приводного двигателя Ametec. Чтобы приготовить все полностью, я использовал мини-мотоцепь и звездочки с 70 и 9 зубцами (для вращения колеса и на двигателе). Стоимость всех предметов вылилась примерно в 30 фунтов стерлингов.

Максимально оно генерировало 25 Вт и проработало где-то в течение года, главным образом из-за ограничений двигателя Ametec и размера колеса, и подтолкнуло меня к созданию турбины большего размера.

В первую очередь мне нужно было запрудить воду ручья, так, чтобы уровень воды был примерно мне по грудь. Не дожидаясь конца лета, я, с помощью водооткачивающего насоса отвел воду, сделал запруду из цемента.

Колеса турбины мне изготовили местные строительные компании из прочного многослойного материала, используемого для создания обшивки и настила в судостроении, толщиной в 13 мм. Из этого же материала я сделал и лопасти. В завершение я покрыл диски и лопасти специальным водоотталкивающим составом, чтобы продлить их жизнь.

Основу для турбины я соорудил из дубовых поленьев. Дуб оказался очень жестким, пришлось повозиться, пока я прикреплял поленья болтами к каменной раме. Пришлось сверлить отверстия, а для этого приходилось привязывать турбину, чтобы уравновесить ее и подогнать все размеры и затянуть болты.

Следующим шагом после установки колеса было решение вопроса с приводом и генератором.

Первоначально я использовал привод производства Minimoto, но затем маленькая цепь из-за интервала между зубьями начала соскальзывать, и я решил приобрести цепи с шагом 3/8 и звездочки у поставщика подшипников. Генератор поставил Windblue Power Permanent Magnet Generator (PMG). Он способен вырабатывать 12 В на 150 об./мин. Его часто используют в качестве переделанного автомобильного генератора. Обычный генератор выдает 12 В лишь при 3000 оборотах.

Этот двигатель я заказал в США за 135 фунтов стерлингов, включая расходы на почтовую пересылку.

Колесо крутилось слишком медленно, и мне пришлось делать под запрудой ступенчатый поддон, на котором вода собиралась в узкое жерло и с большей силой лилась на лопасти.

Кроме того я прикрутил стальным тросом сечением в 1 см основные рейки каркаса, а там, где была возможность, укрепил базу с помощью анкерных болтов длиной в 1 фут, чтобы уберечь устройство от поломки, если вдруг плотину прорвет или будет сильный порыв ветра.

На турбине установлены аккумуляторы 4x55AH Brand New. С их помощью я постоянно подзаряжаю ноутбук. Также я купил два военных тяговых свинцовых аккумулятора 2х110Аh Hawker для освещения гаража и дома. Подача напряжения на два разных по типу аккумулятора идет с разных проводов.

Примерно год я эксплуатирую эту систему. Выходная мощность — 50 Вт, на пике выдает до 500 Вт. Пару раз турбина останавливалась из-за спада воды, а также из-за перекрытия основного потока во время наводнений. А так – круглый год работает.


Перевод: Ярослав Николаевич

Как построить автономную мини-ГЭС своими руками

Гидроэлектростанции используют силу воды для получения электрической энергии. Самостоятельно изготовленные станции решают проблему удаленности от централизованных электросетей или помогают сэкономить на электричестве.

Преимущества и недостатки ГЭС

Гидроэлектростанции обладают следующими преимуществами перед другими видами альтернативных источников энергии:

  • Не зависят от погоды и времени суток (в отличие от солнечных электростанций). Это позволяет вырабатывать большее количество энергии с предсказуемой скоростью.
  • Мощность источника (реки или ручья) можно регулировать. Для этого достаточно заузить русло плотиной либо обеспечить перепад высот воды.
  • Гидроустановки не издают никакого шума (в отличие от ветряков).
  • Для многих типов станций небольшой мощности не требуется никаких разрешений на установку.

К минусам самодельных ГЭС относится невозможность работать в мороз. Кроме того, водная среда является агрессивной, поэтому детали станции должны быть водостойкими и прочными.

Скорость течения и способы его усиления

При проектировании мини-ГЭС для использования в качестве альтернативного источника энергии для собственного дома решающими должны быть следующие факторы:

  • Близость реки к дому. Устанавливать самодельную станцию в удалении от дома не стоит. Чем дальше установка, тем ниже ее эффективность, потому что часть энергии будет потеряна при передаче. Кроме того, так сложнее уберечь вашу ГЭС от кражи или порчи.
  • Достаточная скорость течения или возможность его увеличения. Мощность станции увеличивается в геометрической прогрессии при увеличении скорости воды.

Узнать скорость несложно. Бросьте кусочек пенопласта или теннисный шарик в воду и засеките время, за которое он проплывет определенную дистанцию. Затем разделите метры на секунды и вы узнаете скорость. Минимально достаточная скорость воды для самодельной ГЭС — 1 м/с.

Если скорость течения вашей реки или ручья ниже этого значения, то ее усилит маленькая плотина либо сужающаяся труба. Но эти варианты могут вызвать дополнительные трудности. Строительство плотины требует разрешения от властей, а также согласия соседей.

Мини-гидроэлектростанция своими руками

Конструкция ГЭС достаточно сложная, поэтому самостоятельно удастся построить лишь небольшую станцию, которая позволит сэкономить на электричестве или обеспечит энергией скромное хозяйство. Ниже приведены два примера реализации самодельной ГЭС.

Как сделать мини-ГЭС из велосипеда

Этот вариант ГЭС идеален для велопоходов. Он компактный и легкий, но сможет обеспечить энергией небольшой лагерь, разбитый на берегу ручья или реки. Полученного электричества хватит на вечернее освещение и зарядку мобильных устройств.

Для монтажа станции понадобится:

  • Переднее колесо от велосипеда.
  • Велогенератор, который используется для питания велосипедных фонарей.
  • Самодельные лопасти. Их вырезают заранее из листового алюминия. Ширина лопастей должна быть от двух до четырех сантиметров, а длина — от втулки колеса до его обода. Лопастей может быть любое количество, располагать их нужно на одинаковом расстоянии друг от друга.

Чтобы запустить подобную станцию, достаточно погрузить колесо в воду. Глубина погружения определяется экспериментально, примерно от трети до половины колеса.

Как построить мини-ГЭС на основе водяного колеса

Для постройки более мощной станции для постоянного использования понадобятся более прочные материалы. Лучше всего подойдут металлические и пластиковые элементы, которые легче защитить от воздействия водной среды. Но годятся и деревянные детали, если пропитать их специальным раствором и покрасить водостойкой краской.

Для станции необходимы следующие элементы:

  • Стальной барабан от кабеля (2,2 метра в диаметре). Из него изготавливается ротор-колесо. Для этого барабан разрезается на части и сваривается заново на расстоянии в 30 сантиметров. Из остатков барабана делают лопасти (18 штук). Их приваривают к радиусу под углом в 45 градусов. Для поддержки всей конструкции из уголков или труб изготавливают раму. Колесо вращается на подшипниках.
  • На колесо устанавливается цепной редуктор (коэффициент передачи должен равняться четырем). Чтобы легче свести оси привода и генератора, а также снизить вибрацию, вращение передается через кардан от старого автомобиля.
  • Для генератора подходит асинхронный двигатель. К нему следует добавить еще один шестеренчатый редуктор с коэффициентом около 40. Тогда для трехфазного генератора с 3000 оборотами в секунду при общем коэффициенте редуцирования 160 количество оборотов снизится до 20 оборотов в минуту.
  • Поместите всю электрику в водонепроницаемую емкость.

Описанные исходные материалы легко найти на свалке или у знакомых. За резку стального барабана болгаркой и за сварку можно заплатить специалистам (или же сделать все самостоятельно). В итоге ГЭС мощностью до 5 кВт обойдется в незначительную сумму.

Получить электричество из воды не так и сложно. Труднее выстроить автономную систему электроснабжения на основе самодельной ГЭС, поддерживать станцию в рабочем состоянии и обеспечивать безопасность людей и животных вокруг нее.

Самодельная гидроэлектростанция — мини ГЭС своими руками

Предлагаем провести эксперимент по созданию альтернативного источника энергии — мини гидроэлектростанции для частного дома.

Построим гидрогенератор своими руками в миниатюре с использованием труб ПВХ, стандартных фитингов и недорогих деталей.

Даже не думайте строить вертолет, работающий от данного двигателя, летать он у вас все равно не сможет: мощности не хватит.

Колесо турбины миниГЭС. Прежде чем начать конструирование самодельной гидростанции своими руками, вспомним некоторые законы физики.

  1. Закон сохранения энергии гласит: энергия не возникает из ничего и ни исчезает в никуда, а может только преобразовываться из одной формы в другую. При преобразовании энергии, часть ее теряется.
  2. Статическое давление жидкости зависит только от силы тяжести столба жидкости.

Для того, чтобы вал нашего двигателя начал вращаться, мы должны подать напор воды на лопасти турбинного колеса. Для создания напора воды, используем трубу диаметром 50 мм и длиной 1,5 м.

На рисунках представлена работа нашей установки.

Шаг 1: Поток воды

Разберемся, как взаимодействуют поток воды и колесо. Струи воды по касательной попадают на край колеса – так получается максимальная мощность вращения.

На фото видно, что напор воды из короткой трубы более сильный, чем из длинной, поэтому систему нужно будет настраивать.

Шаг 2: Собираем устройство

Основание, на котором будет крепиться гидросооружение, не является уникальным. Каркас можно сделать из различных доступных материалов. Главное – зафиксировать в определенном положении напорную трубу и турбинное колесо.

Напорная труба заполняется водой при заткнутых соплах.

Всю нашу конструкцию желательно установить в какой-либо поддон, чтобы вода не разливалась по полу.

Шаг 3: Сантехника

Чтобы производительность мини ГЭС не падала с уменьшением высоты водяного столба, мы должны поддерживать уровень в трубе постоянным, т.е. нужно предусмотреть постоянный долив воды.

Рассчитаем диаметр сопел. Наша 50-миллиметровая напорная труба соединена с тройником диаметром условного прохода 40 мм, свободные выводы которого через переходники 40*25 мм соединяются с уголками-отводами 25*15 мм, 90 град. Мы можем использовать в качестве сопел медные трубки с внутренним диаметром 15 мм, присоединенные посредством гаек к отводам.

Медную трубку, при необходимости, можно изгибать, а ее концы — сплющивать так, чтобы струя воды точнее направлялась на лопасти колеса и максимально на них воздействовала.

Соединения труб не имеют жесткого сопряжения (кроме места соединения медных трубок с отводами из ПВХ) и позволяют регулировать направление струй воды.

Как сделать мини-ГЭС своими руками / GEF Small Grants Programme, Программа малых грантов в Узбекистане

Главная > Новости > Как сделать мини-ГЭС своими руками

Если недалеко от вашего дома есть небольшая речка, вы можете использовать такой генератор для получения чистой энергии. Это схему разработал один американский рационализатор и собрал мини-ГЭС всего за три дня.


 

Читайте также:

Blue Freedom — самая маленькая гидроэлектростанция
Как сделать солнечный водонагреватель из пластиковых бутылок за 6 шагов
Самодельный трактор на солнечных батареях


Он использовал неработающий генератор от фирмы Cummins Onan, с которого взял диски для колеса турбины, а электрический генератор он изготовил из двух тормозных роторов размером по 28 см. Также использовал ступицу колеса от старого Доджа. Лопасти турбины выполнены из 10-ти сантиметровых стальных труб, разрезанных на четыре части.

Далее конструктор изготовил шаблон двенадцати дюймовых колес, на которые были нанесены метки необходимых отверстий, а также места для лопастей в количестве 16 штук.

Сверление должно быть выполнено очень точно — от этого зависит эффективность всей установки.

После сверления отверстий, диски были соединены металлическими прутьями, длиной 25 см.

В полученном изделии было сделано отверстие на 10 см для того, чтобы облегчить монтаж электрического генератора и для того, чтобы была возможность лучшего доступа.

Для усиления приливного водяного потока к турбине была присоединена специальная насадка в трубу, выполнена из согнутого металлического листа.

В результате получена своя электростанция — труба с оригинальной насадкой была закреплена под углом 45 градусов, а саму турбину предварительно установили на втулку. Такой подход позволил конструктору производить регулировку. Установленая труба может осуществлять движение во всех четырех направлениях, а турбина и генератор могут отклоняться только взад-вперед.

Для генератора американский конструктор использует следующий подход: из проволоки был изготовлен статер, который имеет 9 одинаковых колец, на каждое из которых было плотно намотана 125 витков.

Также от статера было отведено 6 жил, а сам статер залит эпоксидным компаундом.

Ротор имеет 12 магнитов, расположенных по краях.


Соединение ротора и статера было выполнено с помощью смеси полиэстера и стекловолокна.

Созданный генератор закрепили с одной стороны турбины.

Со свободной стороны электрического генератора прикрепили преобразователь, который помещен в специальный кожух из алюминия. Он превращает трехфазный переменный ток в постоянный. Мощность установки составила 12,5 Вт при 38 оборотах в минуту.


Для работы установки использовали ручей, который протекал у дома конструктора.

С этого ручья вода набирается и подается к турбине.

После выбора правильного угла наклона средняя скорость вращения турбины 110 оборотов в минуту.

В результате этого турбина обеспечивает ток в 2 ампера (при напряжении 12 В).
Плотина Смита

 

 

Метки: мини, гидро, станция, возобновляемая, энергия

Комментарии

Поделитесь статьей

Самодельный генератор 5 киловатт водяной. Домашняя гидроэлектростанция, сделанная своими руками. Полная поставка микро-ГЭС

Регулярный рост цен на электроэнергию заставляет многих задумываться над вопросом альтернативных источников получения электричества. Одно из лучших решений в данном случае — гидроэлектростанция. Поиски решения данного вопроса касаются не только масштабов страны. Все чаще можно увидеть мини-гидроэлектростанции для дома (дачи). Затраты в таком случае будут только на строительство и техническое обслуживание. Минус подобного сооружения в том, что его возведение возможно только в определенных условиях. Необходимо наличие водяного потока. К тому же возведение данной конструкции у себя во дворе требует разрешения местных органов власти.

Схема мини-гидроэлектростанции

  • Русловые, характерные для равнин. Они устанавливаются на реках с несильным потоком.
  • Стационарные используют энергию водных рек с быстрым потоком воды.
  • ГЭС, устанавливающиеся в местах перепада водного потока. Встречаются чаще всего в промышленных организациях.
  • Мобильные, которые строятся с применением армированного рукава.

Для строительства ГЭС достаточно даже небольшого ручья, протекающего по участку. Владельцы домов с центральным водоснабжением не должны отчаиваться.

Одной из американских компаний разработана станция, которую можно встраивать в водоснабжающую систему дома. В водопровод встраивается турбина маленьких размеров, которая приходит в движение за счет потока воды, двигающегося самотеком. Это снижает скорость потока воды, но снижает себестоимость электроэнергии. К тому же данная установка полностью безопасна.

Устраиваются даже мини-гидроэлектростанции в канализационной трубе. Но их строительство требует создания определенных условий. Вода по трубе должна стекать естественным образом за счет уклона. Второе требование — диаметр трубы должен быть подходящим для устройства оборудования. А это невозможно сделать в отдельно стоящем доме.

Классификация мини-ГЭС

Мини-гидроэлектростанции (дома, в которых они используются, в большинстве относятся к частному сектору) чаще всего относятся к одному из следующих типов, которые различаются принципом работы:

  • Водяное колесо — традиционный тип, который наиболее прост в исполнении.
  • Пропеллер. Используют в тех случаях, когда река имеет русло шириной более десяти метров.
  • Гирлянда устанавливается на реках с несильным потоком. Для усиления скорости течения воды используют дополнительные сооружения.
  • Ротор Дарье устанавливается обычно на промышленных предприятиях.

Распространенность этих вариантов обусловлена тем, что они не требуют строительства плотины.

Водяное колесо

Это классический вид ГЭС, который наиболее популярен для частного сектора. Мини-гидроэлектростанции данного типа представляют собой большое колесо, способное вращаться. Его лопасти опускаются в воду. Вся остальная часть конструкции находится над руслом, заставляя двигаться весь механизм. Мощность передается через гидропривод генератору, вырабатывающему ток.

Пропеллерная станция

На раме в вертикальном положении располагается ротор и подводный ветряк, опускаемый под воду. Ветряк имеет лопасти, которые вращаются под воздействием потока воды. Лучшее сопротивление оказывают лопасти шириной два сантиметра (при быстром потоке, скорость которого, тем не менее, не превышает двух метров в секунду).

В данном случае лопасти приводятся в движение за счет возникающей а не за счет давления воды. Причем направление движения лопастей перпендикулярно направлению течения потока. Этот процесс похож на работу ветровых электростанций, только работает под водой.

Гирляндная ГЭС

Данного типа мини-гидроэлектростанции представляют собой трос, натянутый над руслом и закрепленный в опорном подшипнике. На нем в виде гирлянды навешены и жестко закреплены турбины небольшого размера и веса (гидровингроторы). Они состоят из двух полуцилиндров. За счет совмещения осей при опускании в воду в них создается крутящий момент. Это приводит к тому, что трос изгибается, натягивается и начинает вращаться. В данной ситуации трос можно сравнивать с валом, который служит для передачи мощности. Один из концов троса соединен с редуктором. На него и передается мощность от вращения троса и гидровингроторов.

Повысить мощность станции поможет наличие нескольких «гирлянд». Их можно соединить между собой. Даже это не сильно повышает КПД данной ГЭС. Это один из минусов подобного сооружения.

Еще один недостаток данного вида — создаваемая им опасность для окружающих. Подобного рода станции допустимо использовать только в безлюдных местах. Наличие предупредительных знаков обязательно.

Ротор Дарье

Мини-гидроэлектростанция для частного дома данного вида названа так в честь ее разработчика — Жоржа Дарье. Запатентована данная конструкция была еще в 1931 году. Представляет собой ротор, на котором находятся лопасти. Для каждой из лопастей в индивидуальном порядке подбираются нужные параметры. Ротор опускается под воду в вертикальном положении. Лопасти вращаются за счет перепада давления, возникающего под действием протекания по их поверхности воды. Этот процесс подобен подъемной силе, заставляющей самолеты взлетать.

Данный вид ГЭС имеет хороший показатель КПД. Втрое преимущество — направление потока не имеет значение.

Из недостатков данного можно выделить сложную конструкцию и непростой монтаж.

Преимущества мини-ГЭС

Независимо от вида конструкции мини-гидроэлектростанции обладают рядом преимуществ:

  • Экологически безопасны, не вырабатывают вредных для атмосферы веществ.
  • Процесс получения электричества проходит без образования шума.
  • Вода остается чистой.
  • Электричество вырабатывается постоянно, вне зависимости от времени суток или погодных условий.
  • Для обустройства станции достаточно даже небольшого ручья.
  • Излишек электроэнергии можно продать соседям.
  • Не нужно много разрешающей документации.

Мини-гидроэлектростанция своими руками

Построить для получения электроэнергии можно самостоятельно. Для частного дома достаточно двадцати киловатт в сутки. С таким значением справится даже мини-ГЭС, собранная своими руками. Но при этом следует помнить, что данный процесс характеризуется рядом особенностей:

  • Точные расчеты провести достаточно трудно.
  • Размеры, толщина элементов выбирается «на глаз», только опытным путем.
  • Самодельные сооружения не имеют защитных элементов, что приводит к частым поломкам и связанным с этим затратам.

Поэтому если нет опыта и определенных знаний в данной сфере, лучше отказаться от идеи подобного рода. Дешевле может оказаться приобретение уже готовой станции.

Если все же решаетесь делать все своими руками, то начинать необходимо с измерения скорости потока воды в реке. Ведь от этого зависит мощность, которую можно получить. Если скорость будет меньше одного метра в секунду, то строительство мини-гидроэлектростанции в данном месте не оправдает себя.

Еще один этап, который нельзя опускать — это расчеты. Необходимо тщательно рассчитать размер затрат, которые уйдут на строительство станции. В результате может оказаться, что гидроэлектростанция — не лучший вариант. Тогда стоит обратить внимание на другие виды альтернативной электроэнергии.

Мини-гидроэлектростанция может стать оптимальным решением в вопросе экономии затрат на электроэнергию. Для ее строительства необходимо наличие реки недалеко от дома. В зависимости от желаемых характеристик можно подобрать подходящий вариант ГЭС. При правильном подходе выполнить подобное сооружение можно даже своими руками.

Экология потребления.Наука и техника:Создаваемые своими руками домашние гидрогенераторы по мощности сравнимы с солнечными батареями и ветряками, но производят гораздо больший объем электроэнергии.

Поскольку тарифы на электроэнергию в последнее время начали расти, все большую актуальность среди населения приобретают возобновляемые источники электроэнергии, позволяющие получать электричество практически бесплатно. Среди известных человечеству подобных источников стоит выделить солнечные батареи, ветрогенераторы, а также домашние гидроэлектростанции. Но последние являются достаточно сложными, ведь работать им приходится в очень агрессивных условиях. Хотя это вовсе не говорит, что мини-ГЭС своими руками соорудить невозможно.

Чтобы сделать все правильно и качественно, главное – подобрать правильные материалы. Они должны обеспечивать максимальную долговечность работы станции. Создаваемые своими руками домашние гидрогенераторы, мощность которых сравнима с аналогичной у солнечных батарей и ветряков, могут производить гораздо больший объем энергии. Но хотя от материалов и зависит многое, на них все не заканчивается.

РАЗНОВИДНОСТИ МИНИ-ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Существует большое количество разнообразных вариаций мини-ГЭС, каждая из которых имеет свои преимущества, особенности и недостатки. Выделяют следующие виды этих устройств:

  • гирляндную;
  • пропеллерную;
  • ротор Дарье;
  • водяное колесо с лопастями.

Гирляндная ГЭС состоит из троса, на котором закреплены роторы. Такой трос перетягивают через реку и погружают в воду. Поток воды в реке начинает вращать роторы, которые в свою очередь крутят трос, на одном конце которого расположен подшипник, а на втором – генератор.

Следующий вид – это водяное колесо с лопастями. Его устанавливают перпендикулярно водной глади, погружая меньше чем наполовину. Поскольку поток воды воздействует на колесо, оно вращается, и заставляет крутиться генератор для мини-ГЭС, на котором закреплено это колесо.


Что касается пропеллерной ГЭС, то представляет она собой ветряк, расположенный под водой с вертикальным ротором. Ширина лопастей у такого ветряка не превышает 2 сантиметров. Подобной ширины для воды хватает, ведь именно такой номинал позволяет производить максимальное количество электроэнергии при минимальном сопротивлении. Правда, эта ширина оптимальна только для скорости потока до 2 метров в секунду.

Что касается других условий, то параметры лопастей ротора рассчитывают отдельно. А ротор Дарье является вертикально расположенным ротором, действует который по принципу перепада давления. Все происходит аналогично с крылом самолета, на который воздействует подъемная сила.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ


Если рассматривать гирляндную ГЭС, то у нее имеется ряд очевидных недочетов. Во-первых, длинный трос, используемый в конструкции, представляет опасность для окружающих. Также большую опасность представляют скрытые под водой роторы. Ну а вдобавок, стоит отметить низкие показатели КПД и большую материалоемкость.

Что касается недостатков ротора Дарье, то чтобы устройство начало вырабатывать электроэнергию, его нужно предварительно раскрутить. Правда, при этом отбор мощности производится прямо над водой, так что как бы ни изменился поток воды, генератор будет вырабатывать электричество.

Все вышеперечисленное является факторами, которые делают более популярными гидротурбину для мини-ГЭС и водяные колеса. Если рассматривать ручное сооружение подобных устройств, то они не так уж и сложны. А в добавок, при минимальных затратах такие мини-ГЭС способны выдавать максимальные показатели КПД. Так что критерии популярности очевидны.

С ЧЕГО НАЧИНАТЬ СТРОИТЕЛЬСТВО

Возведение мини-ГЭС своими руками стоит начинать с измерения скоростных показателей течения рек. Это делается очень просто: достаточно отметить вверх по течению расстояние в 10 метров, взять в руки секундомер, бросить щепку в воду, и засечь время, за которое она пройдет отмеренную дистанцию.

В конечном итоге, если 10 метров разделить на количество затраченных секунд, получится скорость реки в метрах в секунду. Стоит учитывать, что нет толку сооружать мини-ГЭС в местах, в которых скорость потока не превышает 1 м/с.


Если нужно разобраться, как делают мини-ГЭС в местности, где небольшая скорость реки, то можно попытаться добиться увеличения потока путем организации перепада высот. Сделать это можно через установку сливной трубы в водоем. При этом диаметр трубы будет непосредственно влиять на скорость потока воды. Чем меньше будет диаметр, тем быстрее будет течение.

Подобный подход позволяет организовать мини-ГЭС даже в том случае, если возле дома будет проходить небольшой ручеек. То есть на нем организовывается разборная плотина, ниже которой производится монтаж непосредственно мини-гидроэлектростанции для питания дома и бытовых приборов. опубликовано

Если у Вашего жилища протекает река или даже небольшой ручей, то с помощью самодельной мини ГЭС Вы можете получить бесплатную электроэнергию. Возможно это будет не очень большое пополнение бюджета, но осознание того, что у Вас есть своя собственная электроэнергия — стоит гораздо дороже. Ну а если, например на даче, нет центрального электроснабжения — то даже небольшие мощности электроэнергии будут просто необходимы. И так, для создания самодельной гидроэлектростанции необходимо как минимум два условия — наличие водяного ресурса и желание.

Если и то и другое присутствует, то то первое, что нужно сделать – это измерить скорость потока реки. Сделать это очень просто — бросаете в реку веточку и замерьте время, в течении которого она проплывет 10 метров. Поделив метры на секунды, вы получите скорость течения в м/с. Если скорость меньше 1 м/с, то продуктивной мини ГЭС не получится. В этом случае можно попробовать увеличить скорость потока искусственно заузив русло или сделав небольшую плотину, если имеете дело с не большим ручьем.

Для ориентира, можно использовать соотношение между скоростью потока в м/с и мощностью снимаемой электроэнергии с вала винта в кВт (диаметр винта 1 метр). Данные экспериментальные, в реальности полученная мощность зависит от многих факторов, но для оценки подойдет.Так:

0.5 м/с – 0.03 кВт,
0.7 м/с – 0.07 кВт,
1 м/с – 0.14 кВт,
1.5 м/с – 0.31 кВт,
2 м/с – 0.55 кВт,
2.5 м/с – 0.86 кВт,
3 м/с -1.24 кВт,
4 м/с – 2.2 кВт и т.д.

Мощность самодельной мини ГЭС пропорциональна кубу скорости потока. Как уже указывалось, если скорость течения недостаточная, попробуйте ее искусственно увеличить, если это конечно возможно.

Типы мини-ГЭС

Существует несколько основных вариантов самодельных мини гидроэлектростанций.

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.

Ротор Дарье

Это ротор с вертикальной осью вращения, используемый для генерации электрической энергии. 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. Эта конструкция была запатентована Жорж Жан-Мари Дарье, французским авиационным инженером в 1931 году. Также часто используется в конструкциях ветрогенераторов.

Гирляндная ГЭС

Гидроэлектростанция состоит из легких турбин — гидровингроторов, нанизанных и жестко закрепленными в виде гирлянды на тросе, переброшенном через реку. Один конец троса закрепляется в опорном подшипнике, второй — вращает ротор генератора. Трос в этом случае играет роль своеобразного вала, вращательное движение которого передается к генератору. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос.

Пропеллер

Также заимствован из конструкций ветровых электростанций, такой себе «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. Пропеллер движется не за счет давления воды, а за счет возникновения подъемной силы. Так же как крыло самолета. Лопасти пропеллера движутся поперек потока, а не увлекаются потоком в направлении течения.

Преимущества и недостатки различных систем самодельной мини ГЭС

Недостатки гирляндной ГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих (длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это своего рода небольшая плотина. Целесообразно использовать в безлюдных, удаленных местах с соответствующими предупредительными знаками. Возможно потребуется разрешение властей и экологов. Второй вариант — небольшой ручей у Вас в огороде.
Ротор Дарье — сложен в расчете и 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 — это плюс.

Наибольшее распространение при построении самодельных гидроэлектростанций получили схемы пропеллера и водяного колеса. Так как эти варианты сравнительно просты в изготовлении, требуют минимальных расчетов и реализуются при минимальных затратах, имеют высокий КПД, просты в настройке и эксплуатации.

Если у Вас нет водяного энергоресурса можете самостоятельно сделать домашнюю ветроэлектростанцию .

П

ример простейшей мини-ГЭС

Простейшую гидроэлектростанцию можно быстро соорудить из обычного велосипеда с динамкой для велофары. Из оцинкованного железа или не толстого листового алюминия надо заготовить несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Эти лопасти устанавливаются между спицами любым подручным способом или заранее заготовленными креплениями.
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. С глубиной погружения колеса с лопастями в воду можете поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.
Вариант походной ветроэлектростанции рассматривался ранее.

Такая микро ГЭС не занимает много места и отлично послужит велотуристам — главное наличие ручья или речушки — что обычно и есть в месте разбивки лагеря. Мини ГЭС из велосипеда сможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны или другие гаджеты.

Всегда хотел получить электричество из ручья, протекающего по периметру моего дома. Около трех лет назад я установил временную турбину, чтобы проверить, будет ли работоспособным турбинное колесо большего размера.

Демо-версия этого колеса была сделана из старых подставок для абразивных кругов и деревянных паллет в качестве лопастей.

В качестве генератора я использовал старую ленту постоянного тока из приводного двигателя Ametec. Чтобы приготовить все полностью, я использовал мини-мотоцепь и звездочки с 70 и 9 зубцами (для вращения колеса и на двигателе). Стоимость всех предметов вылилась примерно в 30 фунтов стерлингов.

Максимально оно генерировало 25 Вт и проработало где-то в течение года, главным образом из-за ограничений двигателя Ametec и размера колеса, и подтолкнуло меня к созданию турбины большего размера.

В первую очередь мне нужно было запрудить воду ручья, так, чтобы уровень воды был примерно мне по грудь. Не дожидаясь конца лета, я, с помощью водооткачивающего насоса отвел воду, сделал запруду из цемента.

Колеса турбины мне изготовили местные строительные компании из прочного многослойного материала, используемого для создания обшивки и настила в судостроении, толщиной в 13 мм. Из этого же материала я сделал и лопасти. В завершение я покрыл диски и лопасти специальным водоотталкивающим составом, чтобы продлить их жизнь.

Основу для турбины я соорудил из дубовых поленьев. Дуб оказался очень жестким, пришлось повозиться, пока я прикреплял поленья болтами к каменной раме. Пришлось сверлить отверстия, а для этого приходилось привязывать турбину, чтобы уравновесить ее и подогнать все размеры и затянуть болты.

Следующим шагом после установки колеса было решение вопроса с приводом и генератором.

Первоначально я использовал привод производства Minimoto, но затем маленькая цепь из-за интервала между зубьями начала соскальзывать, и я решил приобрести цепи с шагом 3/8 и звездочки у поставщика подшипников. Генератор поставил Windblue Power Permanent Magnet Generator (PMG). Он способен вырабатывать 12 В на 150 об./мин. Его часто используют в качестве переделанного автомобильного генератора. Обычный генератор выдает 12 В лишь при 3000 оборотах. Этот двигатель я заказал в США за 135 фунтов стерлингов, включая расходы на почтовую пересылку.

Колесо крутилось слишком медленно, и мне пришлось делать под запрудой ступенчатый поддон, на котором вода собиралась в узкое жерло и с большей силой лилась на лопасти.

Кроме того я прикрутил стальным тросом сечением в 1 см основные рейки каркаса, а там, где была возможность, укрепил базу с помощью анкерных болтов длиной в 1 фут, чтобы уберечь устройство от поломки, если вдруг плотину прорвет или будет сильный порыв ветра.

На турбине установлены аккумуляторы 4x55AH Brand New. С их помощью я постоянно подзаряжаю ноутбук. Также я купил два военных тяговых свинцовых аккумулятора 2х110Аh Hawker для освещения гаража и дома. Подача напряжения на два разных по типу аккумулятора идет с разных проводов.

Примерно год я эксплуатирую эту систему. Выходная мощность — 50 Вт, на пике выдает до 500 Вт. Пару раз турбина останавливалась из-за спада воды, а также из-за перекрытия основного потока во время наводнений. А так — круглый год работает.

Перевод: Ярослав Николаевич

Если у Вашего жилища протекает река или даже небольшой ручей, то с помощью самодельной мини ГЭС Вы можете получить бесплатную электроэнергию. Возможно это будет не очень большое пополнение бюджета, но осознание того, что у Вас есть своя собственная электроэнергия — стоит гораздо дороже. Ну а если, например на даче, нет центрального электроснабжения — то даже небольшие мощности электроэнергии будут просто необходимы. И так, для создания самодельной гидроэлектростанции необходимо как минимум два условия — наличие водяного ресурса и желание.

Если и то и другое присутствует, то то первое, что нужно сделать – это измерить скорость потока реки. Сделать это очень просто — бросаете в реку веточку и замерьте время, в течении которого она проплывет 10 метров. Поделив метры на секунды, вы получите скорость течения в м/с. Если скорость меньше 1 м/с, то продуктивной мини ГЭС не получится. В этом случае можно попробовать увеличить скорость потока искусственно заузив русло или сделав небольшую плотину, если имеете дело с не большим ручьем.

Для ориентира, можно использовать соотношение между скоростью потока в м/с и мощностью снимаемой электроэнергии с вала винта в кВт (диаметр винта 1 метр). Данные экспериментальные, в реальности полученная мощность зависит от многих факторов, но для оценки подойдет. Так:

  • 0.5 м/с – 0.03 кВт,
  • 0.7 м/с – 0.07 кВт,
  • 1 м/с – 0.14 кВт,
  • 1.5 м/с – 0.31 кВт,
  • 2 м/с – 0.55 кВт,
  • 2.5 м/с – 0.86 кВт,
  • 3 м/с -1.24 кВт,
  • 4 м/с – 2.2 кВт и т.д.

Мощность самодельной мини ГЭС пропорциональна кубу скорости потока. Как уже указывалось, если скорость течения недостаточная, попробуйте ее искусственно увеличить, если это конечно возможно.

Типы мини-ГЭС

Существует несколько основных вариантов самодельных мини гидроэлектростанций.


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.


Это ротор с вертикальной осью вращения, используемый для генерации электрической энергии. 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. Эта конструкция была запатентована Жорж Жан-Мари Дарье, французским авиационным инженером в 1931 году. Также часто используется в конструкциях ветрогенераторов.

Гирляндная гидроэлектростанция состоит из легких турбин — гидровингроторов, нанизанных и жестко закрепленными в виде гирлянды на тросе, переброшенном через реку. Один конец троса закрепляется в опорном подшипнике, второй — вращает ротор генератора. Трос в этом случае играет роль своеобразного вала, вращательное движение которого передается к генератору. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос.


Также заимствован из конструкций ветровых электростанций, такой себе «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. Пропеллер движется не за счет давления воды, а за счет возникновения подъемной силы. Так же как крыло самолета. Лопасти пропеллера движутся поперек потока, а не увлекаются потоком в направлении течения.

Преимущества и недостатки различных систем самодельной мини ГЭС

Недостатки гирляндной ГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих (длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это своего рода небольшая плотина. Целесообразно использовать в безлюдных, удаленных местах с соответствующими предупредительными знаками. Возможно потребуется разрешение властей и экологов. Второй вариант — небольшой ручей у Вас в огороде.

Ротор Дарье — сложен в расчете и 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 — это плюс.

Наибольшее распространение при построении самодельных гидроэлектростанций получили схемы пропеллера и водяного колеса. Так как эти варианты сравнительно просты в изготовлении, требуют минимальных расчетов и реализуются при минимальных затратах, имеют высокий КПД, просты в настройке и эксплуатации.

Пример простейшей мини-ГЭС

Простейшую гидроэлектростанцию можно быстро соорудить из обычного велосипеда с динамкой для велофары. Из оцинкованного железа или не толстого листового алюминия надо заготовить несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Эти лопасти устанавливаются между спицами любым подручным способом или заранее заготовленными креплениями.

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. С глубиной погружения колеса с лопастями в воду можете поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.

Вариант походной ветроэлектростанции рассматривался ранее.

Такая микро ГЭС не занимает много места и отлично послужит велотуристам — главное наличие ручья или речушки — что обычно и есть в месте разбивки лагеря. Мини ГЭС из велосипеда сможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны или другие гаджеты.

Наполните свой дом водой — мероприятие

(0 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 9 (9-11)

Необходимое время: 3 часа

(Провести как углубленный дизайн-проект с тремя классами.)

Расходные материалы на группу: 2,00 доллара США

Размер группы: 3

Зависимость действий: Нет

Тематические области: Земля и космос, Физические науки, физика, наука и технологии

Ожидаемые характеристики NGSS:


Поделиться:

Резюме

Студенты узнают, как инженеры проектируют устройства, использующие воду для выработки электроэнергии, путем создания моделей водяных турбин и измерения результирующего тока, производимого в двигателе. Команды учащихся работают в процессе инженерного проектирования, чтобы построить турбины, проанализировать производительность своих турбин и произвести расчеты, чтобы определить наиболее подходящие места для строительства плотин. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

На протяжении всего времени люди использовали энергию падающей и текущей воды для производства электроэнергии — от водяных колес, используемых для измельчения зерна, до современных плотин гидроэлектростанций и городов-источников энергии.Инженеры разрабатывают многие из этих технологий. В некоторых регионах вода является надежным, чистым и недорогим возобновляемым источником энергии, подходящим для замены электростанций, работающих на ископаемом топливе. Сегодня инженеры-строители, инженеры-механики, экологи и электрики работают вместе, чтобы использовать энергию воды и вырабатывать электричество из этого ресурса.

Цели обучения

После этого занятия студенты должны уметь:

  • Спроектировать, построить и испытать модель ветряной турбины.
  • Опишите, как водяные турбины преобразуют энергию воды в электричество.
  • Перечислите несколько преимуществ и недостатков использования гидроэлектроэнергии.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука
Ожидаемые характеристики NGSS

HS-PS3-3.Спроектируйте, создайте и доработайте устройство, которое работает с заданными ограничениями для преобразования одной формы энергии в другую. (9–12 классы)

Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Щелкните здесь, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям.
В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Общие концепции
Разработайте, оцените и / или доработайте решение сложной реальной проблемы, основываясь на научных знаниях, источниках доказательств, созданных студентами, критериях приоритета и компромиссных решениях.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

В макроскопическом масштабе энергия проявляется множеством способов, таких как движение, звук, свет и тепловая энергия.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Хотя энергия не может быть уничтожена, ее можно преобразовать в менее полезные формы — например, в тепловую энергию в окружающей среде.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Критерии и ограничения также включают выполнение любых требований, установленных обществом, таких как учет вопросов снижения риска, и они должны быть количественно определены, насколько это возможно, и сформулированы таким образом, чтобы можно было определить, соответствует ли им данный проект.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Энергия не может быть создана или уничтожена — она ​​только перемещается между одним местом и другим местом, между объектами и / или полями или между системами.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Современная цивилизация зависит от основных технологических систем. Инженеры постоянно модифицируют эти технологические системы, применяя научные знания и методы инженерного проектирования для увеличения выгод при одновременном снижении затрат и рисков.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Общие основные государственные стандарты — математика
  • Решите простые рациональные и радикальные уравнения с одной переменной и приведите примеры, показывающие, как могут возникнуть посторонние решения.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Используйте единицы как способ понять проблемы и направить решение многоэтапных проблем; последовательно выбирать и интерпретировать единицы в формулах; выбрать и интерпретировать масштаб и начало координат на графиках и дисплеях данных.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Решите квадратные уравнения путем осмотра (например,g., для x² = 49), извлечение квадратного корня, завершение вычисления квадрата, квадратная формула и факторизация в соответствии с исходной формой уравнения. Определите, когда квадратная формула дает комплексные решения, и запишите их как a ± bi для действительных чисел a и b. (Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Перегруппируйте формулы, чтобы выделить интересующее количество, используя те же рассуждения, что и при решении уравнений.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Решите линейные уравнения и неравенства с одной переменной, включая уравнения с коэффициентами, представленными буквами.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология
  • Прототип — это рабочая модель, используемая для проверки концепции проекта путем проведения реальных наблюдений и необходимых корректировок.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Энергетические ресурсы могут быть возобновляемыми или невозобновляемыми.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ
Колорадо — математика
Колорадо — наука
  • Разработать, передать и обосновать научно обоснованное научное объяснение потенциальной и кинетической природы механической энергии. (Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Используйте соответствующие измерения, уравнения и графики для сбора, анализа и интерпретации данных о количестве энергии в системе или объекте. (Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Список материалов

Каждой группе необходимо:

  • цилиндрический деревянный брусок, не менее 1 дюйма (2.54 см) в диаметре и около 8 дюймов (20 см) в длину
  • Рабочий лист водяных турбин

Пример цифрового мультиметра. Авторское право

Copyright © 2005 André Karwath, Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Digital_Multimeter_Aka.jpg

На долю всего класса:

  • 1 или 2 мультиметра или вольтметра
  • 2 двухжильных щупа с зажимом типа «крокодил»
  • 1-2 моторы постоянного тока для хобби (доступны в RadioShack [рекомендуемые номера деталей: 273-223, 273-047 или 273-106] или в магазинах для хобби; убедитесь, что на валу нет шестерни)
  • дрель
  • Сверло
  • с размером, равным диаметру вала хобби-мотора
  • два деревянных блока 2 x 4, каждый примерно 5 дюймов (12.7 см) длинная
  • два гвоздя или шурупа 2,5 дюйма (6,35 см)
  • молоток или отвертка
  • один кусок ПВХ-трубы диаметром 3-5 дюймов (7,6-12,7 см) с внутренним диаметром, немного превышающим диаметр цилиндрических деревянных блоков, используемых для строительства турбины.
  • различных материалов, из которых могут быть изготовлены лопасти турбины, такие как учетные карточки, пластиковые бутылки, бумажные или пластиковые стаканчики, картон, ДСП, толстый картон для плакатов, пенопласт, тонкие стержни для дюбелей, бамбуковые шпажки и т. Д.
  • ножницы
  • клей
  • прочная лента, такая как изолента или упаковочная лента
  • вода
  • кувшин, пластиковые бутылки или чашки для хранения и наливания воды (чем больше, тем лучше)

Рабочие листы и приложения

Посетите [www.teachengineering.org/activities/view/cub_housing_lesson04_activity1], чтобы распечатать или загрузить.

Больше подобной учебной программы

Не в сети

Студенты изучают и обсуждают преимущества и недостатки возобновляемых и невозобновляемых источников энергии.Они также узнают об электросети нашей страны и о том, что значит быть «вне сети» для жилого дома.

Река бежала по ней

Студенты узнают, как вода используется для производства электроэнергии. Они исследуют преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую при практических занятиях с падающей водой и водяными колесами.Во время занятий они проводят измерения, вычисляют средние значения и графики результатов.

Чистая энергия: гидроэнергетика

Генерация гидроэлектроэнергии представлена ​​студентам как общая цель и выгода от строительства плотин. Благодаря введению в кинетическую и потенциальную энергию студенты понимают, как плотина создает электричество.

Энергия США

Этот урок дает студентам обзор электроэнергетической отрасли в Соединенных Штатах. Студенты также узнают о воздействии на окружающую среду, связанном с различными источниками энергии.

Предварительные знания

Базовое понимание концепций кинетической и потенциальной энергии, работы и мощности.Чтобы заполнить рабочий лист, умение решать основные алгебраические уравнения.

Введение / Мотивация

Плотина Гувера, Невада, США. Авторское право

Copyright © Pixabay.com 2018. https://pixabay.com/photos/hoover-dam-colorado-river-nevada-3780254/

Кто из вас когда-либо видел плотину Гувера в Неваде или видел изображение плотины Гувера? Одна из причин строительства плотины Гувера заключалась в том, чтобы не допустить попадания ила и отложений в реку Колорадо.Кто-нибудь знает, какую еще роль играет плотина Гувера? Верно; это еще и силовая установка. Плотина Гувера преобразует энергию движущейся воды реки Колорадо в электричество. Гидроэлектростанции есть по всему миру. Когда в 1935 году была построена плотина Гувера, это была крупнейшая в мире электростанция, вырабатывающая электроэнергию. В настоящее время это всего лишь 58 самая большая гидроэлектростанция в мире. Инженеры продолжают вносить значительные улучшения в конструкцию плотин, чтобы использовать силу воды.

Гидроэлектростанции, такие как плотина Гувера, вырабатывают электричество из воды, протекающей через плотину. Как только вода достигает турбин плотины Гувера, она движется со скоростью около 38 метров в секунду (85 миль в час). Учитывая, что весь поток реки Колорадо проходит через плотину Гувера, этот поток содержит много кинетической энергии. Вода получает эту кинетическую энергию из-за перепада высоты от резервуара к выпускному отверстию. Это падение высоты преобразует потенциальную энергию воды в кинетическую энергию.Разница в высоте воды известна как напор .

Пример закона сохранения массы: удерживая большим пальцем воду, текущую из шланга, проталкивает воду через меньшее отверстие, ускоряя поток. Copyright

Copyright © Pikist.com 2020. https: //www.pikist .com / free-photo-viwpg

Вода также ускоряется за счет протекания потока через меньшее отверстие, аналогично тому, как вы кладете палец на кран или шланг.Вы уменьшаете площадь потока воды, и чтобы компенсировать уменьшение площади, вода течет быстрее (в соответствии с законом сохранения массы ). Объединив два эффекта, сужая поперечное сечение, через которое протекает вода, и увеличивая передачу энергии от потенциальной до кинетической, инженеры спроектировали плотину Гувера для выработки максимальной мощности 2080 мегаватт.

Плотины

, такие как плотина Гувера, также могут контролировать свою мощность.Когда спрос высок, производятся корректировки, чтобы больше воды протекало и производилось больше электроэнергии. Гидроэлектроэнергия не всегда вырабатывается так же, как плотина Гувера. В некоторых гидроэлектрических технологиях для выработки электроэнергии используется только напор между водохранилищем и выпускным отверстием. Вместо плотины другие гидроэлектростанции просто используют небольшой канал для направления речной воды через турбину. Третьи станции перекачивают воду только через трубу, а затем через турбины, используя поток реки для выработки электроэнергии.

Принцип работы турбины довольно прост. Вода ударяется о лопасти турбины и раскручивает турбину, которая соединена валом с генератором . Вал вращает генератор, заставляя его производить ток. Вырабатываемая электроэнергия направляется по линиям электропередач энергосистемы туда, где она необходима. Не вся энергия воды переходит в электрическую; во время передачи часть энергии теряется из-за трения между валом и генератором, а также между водой и лопастями.Даже в этом случае многие турбины работают с КПД выше 90%.

В настоящее время во всем мире используются несколько различных типов турбин. У каждого из них есть преимущества и недостатки, связанные с величиной напора и расходом воды. Инженеры должны проанализировать все, что касается плотины, реки и образовавшегося водохранилища, чтобы определить лучший тип турбины для использования.

Пример турбины. Обратите внимание на формы лезвия. Copyright

Copyright © Pikist.com 2020. https: // www.pikist.com/free-photo-idehr

Традиционно для выработки электроэнергии на электростанциях использовался уголь. Почему община может захотеть использовать воду вместо угля в качестве источника энергии и электричества для своих зданий? Уголь является примером невозобновляемого источника энергии или источника энергии, который естественным образом не восполняется за короткий промежуток времени. Однако вода — это возобновляемый источник энергии. Круговорот воды на Земле обеспечивает заполнение рек и озер. Вода также является более чистым способом производства электричества, поскольку во время процесса в атмосферу не попадают загрязнители и углекислый газ.При сжигании угля в воздух выбрасываются многочисленные загрязнители, влияющие на здоровье людей и окружающую среду. Один из способов, которым инженеры помогают нам увеличить использование возобновляемых источников энергии, — это проектирование и строительство плотин гидроэлектростанций.

Плотина Гувера — пример огромной гидроэлектростанции, которая вырабатывает огромное количество электроэнергии для национальной энергосистемы. Но гидроэлектроэнергия также является жизнеспособным возобновляемым ресурсом в меньших масштабах; это то, что используют некоторые люди, когда они живут в отдаленных районах возле круглогодичных ручьев.Размышляя о проектировании энергоэффективного дома, использование энергии воды — это один из способов выработки электроэнергии вне сети и повышения эффективности конструкции нашего жилья. Сегодня мы собираемся разработать и проанализировать модели водяных турбин и то, как их можно использовать для выработки электроэнергии для энергоэффективных домов.

Процедура

Фон

Для плотин, вырабатывающих электроэнергию за счет разницы в высоте воды, вычисление выходной мощности мощности может быть выполнено за несколько математических шагов.Начните с определения энергии системы. Если вам известен напор воды (или разница в высоте воды), то потенциальная энергия воды в резервуаре равна:

где PE — потенциальная энергия, m — масса воды, g — ускорение свободного падения (9,8 м / с 2 ), h — напор воды. Эта потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с помощью следующего уравнения:

где v — скорость воды.Поскольку энергия никогда не может быть создана или потеряна (закон сохранения энергии ), потенциальная энергия равна кинетической энергии системы. Используйте кинетическую энергию, чтобы определить скорость воды, протекающей через турбины.

Мощность, вырабатываемая плотиной, зависит от расхода воды. Расход воды — это просто объем во времени (наиболее распространенные единицы: м 3 / с). Самый простой способ рассчитать расход воды — это сначала вычислить или определить скорость воды.Скорость воды, умноженная на площадь поперечного сечения, через которую она протекает, дает вам расход Q.

Массовый расход воды — это просто масса воды во времени или кг / с. Используйте следующее уравнение для расчета массового расхода:

, где Q — расход, а ρ — плотность воды (1000 кг / м 3 ). (Примечание: любая переменная с точкой просто означает, что переменная изменяется во времени. Итак, ṁ [массовый расход] — это просто масса, деленная на время.) Мощность, генерируемая этой текущей водой, тогда просто:

Перед мероприятием

  • За несколько дней до мероприятия попросите учащихся собрать и принести из дома различные пластиковые бутылки, картон и другие материалы, из которых можно сделать лопатки турбин.
  • Соберите материалы и сделайте копии рабочего листа гидротурбины, по одной на группу.
  • Просверлите отверстие на одном конце каждого цилиндрического деревянного бруска, диаметр которого равен диаметру вала электродвигателя хобби.Поместите отверстие как можно ближе к точному центру дерева.
  • Соберите устройство (а) для испытания турбины, используя деревянные бруски, гвозди или винты, трубу из ПВХ, двигатель постоянного тока, изоленту и провода с зажимом типа «крокодил», как показано ниже. Прибейте или прикрутите два деревянных бруска. Приклейте ПВХ-трубу и двигатель к основанию из деревянного блока. Подключите двигатель к мультиметру. Авторское право

    Copyright © 2009 Джейкоб Кросби, программа ITL, Университет Колорадо в Боулдере

  • В этом упражнении каждая группа создает турбину на своих цилиндрических деревянных блоках, а затем по очереди размещает свои турбины на устройстве (ах) для испытания турбин класса для измерения напряжения.

Со студентами

  1. Разделите класс на группы по три ученика в каждой.
  2. Раздайте рабочие листы и деревянные бруски.
  3. В ходе обсуждения в классе сформулируйте задачу, которую ученики пытаются решить, проектируя водяные турбины; это должно включать, как вырабатывать электричество для дома с использованием возобновляемых источников энергии.
  4. В группах предложите учащимся обсудить, как они могли бы спроектировать свои водяные турбины. Возможные вопросы для рассмотрения: Сколько лезвий? Как их разложить? Из какого материала делать лезвия? Какая форма для лезвий? Попросите учащихся записать все свои идеи мозгового штурма на своих рабочих листах.
  5. На основе анализа результатов своих мозговых штурмов попросите каждую группу согласовать одну конструкцию для своей модели турбины. Предложите им нарисовать свои рисунки на листах и ​​объясните, почему они выбрали этот дизайн.
  6. Затем попросите каждую группу использовать доступные материалы для создания прототипа своей турбины на основе проекта. Примечание. Поскольку двигатель будет помещен непосредственно в цилиндрический деревянный блок, убедитесь, что учащиеся прикрепляют лопасти турбины к концу, противоположному отверстию, просверленному в деревянном блоке; это предотвращает падение двигателя прямо на пути воды во время тестирования.Вид спереди и сбоку на установку для занятий с мотором для хобби и мультиметром, подключенным к деревянному блоку одной команды и прототипу водяной турбины. Авторское право

    Авторские права © 2009 Джейсон Кросби, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

  7. Когда группа завершит строительство своей турбины, попросите команду выйти на улицу или над большой раковиной, чтобы проверить, насколько хорошо она работает.
  8. Для тестирования попросите группу вставить конец модели турбины через трубу из ПВХ на испытательном устройстве и на вал двигателя.Вы можете приклеить передний конец тестового устройства к поверхности, на которой он сидит, чтобы предотвратить его перемещение во время тестирования. После подключения турбины попросите одного ученика налить воду на турбину. Попросите учителя или другого ученика измерить и записать время, в течение которого вода попадает на лопасти. Опытный образец конструкции водяной турбины студенческой команды испытывается путем непрерывного литья воды сверху лопастей. Авторское право

    Copyright © 2009 Джейсон Кросби, Программа ITL, Колледж наук, Университет Колорадо, Боулдер,

  9. Пусть каждая группа по очереди поливает лопасти своей турбины водой с трех разных высот, записывая данные в рабочий лист.
  10. Попросите учащихся выполнить вычисления и анализ на своих рабочих листах.
  11. Завершите обсуждение в классе, чтобы рассмотреть и сравнить результаты групп. Какие улучшения они бы внесли? Где бы они разместили турбины возле своих энергоэффективных домов? См. Дополнительные вопросы для обсуждения после занятия в разделе «Оценка».
  12. Попросите студенческие команды представить свои проекты остальному классу, как описано в разделе «Оценка».

Словарь / Определения

сохранение энергии: физический закон, гласящий, что энергия системы должна оставаться постоянной и что энергия не может быть создана.

сохранение массы: физический закон, гласящий, что масса не может быть ни создана, ни разрушена.

энергия: способность объекта выполнять работу.

Передача энергии: процесс преобразования энергии из одной формы в другую.

Генератор: устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

голова: разница высоты воды между двумя точками.

гидроэнергия: энергия, вырабатываемая при движении или падении воды.

кинетическая энергия: энергия объекта из-за его движения.

невозобновляемый источник энергии: источник энергии, который не восполняется за короткий период времени.

потенциальная энергия: энергия, запасенная в объекте, в зависимости от его положения.

возобновляемая энергия: энергия, полученная из возобновляемых источников.

возобновляемый источник энергии: источник энергии, который восполняется естественным путем за короткий период времени.

вольтметр: прибор, измеряющий напряжение.

водяная турбина: механическое устройство, вырабатывающее электричество из движущейся воды.

работа: Механическая передача энергии от одного объекта к другому.

Оценка

Оценка перед началом деятельности

Мозговой штурм : В небольших группах предложите учащимся участвовать в открытом обсуждении.Напомните студентам, что никакая идея или предложение не являются «глупыми». Все идеи следует уважительно выслушивать. Спросите у студентов:

  • Как воду можно использовать для производства энергии и электричества?
  • Какие преимущества в создании и использовании гидроэлектроэнергии?
  • Какие есть недостатки?

Встроенная оценка деятельности

Рабочий лист : Попросите учащихся заполнить рабочий лист. Просмотрите их ответы, чтобы оценить их уровень владения предметом.

Оценка после деятельности

Обсуждение в классе : Обсудите в классе следующие вопросы:

  • Какие части ваших конструкций, по-видимому, повышают эффективность способности турбин преобразовывать энергию воды в электричество?
  • Какие части ваших проектов, по-видимому, дают более низкую эффективность?
  • Как мы могли объединить различные дизайнерские идеи из всех групп в одну турбину, которая могла бы иметь больший КПД, чем отдельные турбины?

Презентация в классе : Попросите группы учащихся представить свои проекты остальной части класса.Попросите их включить описание того, насколько хорошо работают водяные колеса и какие улучшения они могут внести в свои конструкции.

Вопросы безопасности

  • Следите за тем, чтобы не проводить испытания турбины в местах, где пол станет скользким при намокании.
  • Не допускайте попадания воды прямо на двигатель. Небольшое разбрызгивание — это нормально, но поскольку здесь задействованы некоторые электрические соединения, большое количество воды может потенциально повредить двигатель или нанести вред ученику.

Советы по поиску и устранению неисправностей

Некоторые двигатели имеют разъемы, которые легко обнаружить (два металлических куска торчат из двигателя с отверстием посередине), которые упрощают подключение проводов и мультиметров / вольтметров к выводам двигателя, в то время как другие этого не делают. При использовании двигателя, в котором разъемы отсутствуют на двигателе, ищите (как минимум) две прорези для разъемов на противоположных сторонах двигателя. Попросите учащихся вставить провода или мультиметры в две из этих прорезей.Если прорезей больше двух, попросите учащихся вставить провода в одну пару прорезей и вручную повернуть вал двигателя. Если мультиметр / вольтметр считывает напряжение или ток при вращении вала, то это разъемы. Если это не так, то другая пара прорезей — это соединитель. Попросите учащихся проверить двигатель на предмет показаний напряжения и тока на мультиметре / вольтметре.

Один из простых способов измерить напряжение на двигателе — присоединить электрический провод к разъемам двигателя и использовать зажимы типа «крокодил» на концах выводов мультиметра / вольтметра.Таким образом вы можете создать одну или несколько испытательных станций, и ученики могут просто прикрепить свои водяные турбины к установке.

Расширения деятельности

Попросите каждую команду поработать с другой группой, чтобы объединить части обеих конструкций для создания турбины, которая имеет лучший рейтинг эффективности, чем оригинальные прототипы турбин любой группы. Попросите учащихся написать пару коротких абзацев, описывающих, что они хотели бы добавить и исключить, и почему они думают, что эти изменения сделают их новую турбину более эффективной, чем отдельные турбины, которые они изначально сделали.

Решение задач — поток энергии и воды : Предложите учащимся решить следующие математические задачи: Решение задач — поток энергии и воды: попросите учащихся решить следующие математические задачи:

  1. При обсуждении использования электроэнергии часто используется киловатт-час (кВтч). Покажите, что единицы киловатт-часа эквивалентны единице энергии, джоуля. (Подсказка: Ватт = Дж / с)

Ответ на задачу 1.

  1. Мощность, связанная с перепадом высоты текущей текучей среды, указана выше и равна: P = (массовый расход) gh.Покажите, что единицы этого уравнения эквивалентны единицам мощности СИ, ваттам.

Ответ на задачу 2.

Масштабирование активности

Для младших школьников удалите математический анализ с рабочего листа.

Дополнительная поддержка мультимедиа

См. Превосходный рисунок, показывающий основные части гидроэлектростанции, включая резервуар, водозабор, регулирующий затвор, напорный водовод, генератор, турбину, трансформатор, электростанцию, отвод и линии электропередачи на этом веб-сайте HowStuffWorks: http: // people.howstuffworks.com/hydropower-plant1.htm

использованная литература

Бонсор, Кевин. Как работают гидроэлектростанции. 6 сентября 2001 г. HowStuffWorks.com. По состоянию на 31 марта 2009 г. http://people.howstuffworks.com/hydropower-plant1.htm

Плотина Гувера, посещение плотины Гувера. Последний раз рассмотрено в марте 2009 г. Регион Нижнего Колорадо, Бюро мелиорации, Министерство внутренних дел США. По состоянию на 31 марта 2009 г.http://www.usbr.gov/lc/hooverdam/

Основы гидроэнергетики. Последнее обновление 8 января 2008 г. Программа ветроэнергетических и гидроэнергетических технологий, энергоэффективность и возобновляемые источники энергии, Министерство энергетики США. (как работает гидроэнергетика, типы гидроэлектростанций, типы гидроэнергетических турбин, глоссарий терминов) По состоянию на 31 марта 2009 г. http://www.eere.energy.gov/basics/renewable_energy/hydropower.html

авторское право

© 2007 Регенты Университета Колорадо

Авторы

Тайлер Малин; Лорен Купер; Малинда Шефер Зарске; Дениз В.Карлсон

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано за счет грантов Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), Министерства образования США и Национального научного фонда (грант GK-12 No.0338326). Однако это содержание не обязательно отражает политику DOE или NSF, и вы не должны рассчитывать на одобрение со стороны федерального правительства.

Последнее изменение: 10 сентября 2021 г.

Гидроэлектростанция питает усадьбу

Узнайте, как поселенцы строят самодельную гидроэлектростанцию, которая питает их усадьбу.

С каким разочарованием мы столкнулись, когда сложили числа.Хотя мы, несомненно, могли бы вырабатывать несколько киловатт, используя самый крутой участок нашего большого ручья, для этого потребуется не менее 1000 футов 8-дюймового трубопровода, а также изготовленное на заказ генераторное оборудование для больших потоков воды. Такая система была далеко за пределами наших финансовых возможностей.

Но со временем мы заметили, что наш ежемесячный счет за электроэнергию редко превышал 750 киловатт-часов. Это означало, что нам требовалась средняя генерирующая мощность всего 1 киловатт (24 часа в сутки X 30 дней = 720 часов). даже с электрической плитой, холодильником, морозильной камерой.водяной насос, водонагреватель и сушилка для белья. Мы также упустили из виду небольшой ручей, изгибающийся с нашей горы, который засевает 360 футов после того, как пересекает нашу территорию. Мы определили, что он легко может генерировать более киловатта. Гидроэнергетика стала выглядеть более многообещающей.

Уловка заключалась в том, чтобы выяснить, как с помощью нашей самодельной гидроэлектростанции справиться с пиковыми нагрузками на наши жадные по току приборы. Мы остановились на плане установить небольшую гидроэлектрическую систему Harris постоянного тока мощностью 1 л / 2 кВт с батареями и инвертором, способную производить 120 вольт переменного тока, оставив при этом некоторые из наших устройств на 240 В — кухонную плиту, сушилку для одежды и водопровод. помпа — подключена к сети.В качестве резерва на случай, если сеть выйдет из строя, у нас есть меньший водяной насос 28 В постоянного тока, плита и тостер, все из которых могут работать от гидросистемы. Сушилка для белья — это роскошь, без которой мы можем обойтись в крайнем случае.

Первым шагом было проложить трубу с горы, чтобы проверить наши расчеты давления и расхода — трудная задача, поскольку падение на 360 футов привело нас к довольно крутой и каменистой местности.

Мы знали, что потеряем некоторое давление из-за трения из-за того, что вода будет течь по внутренним сторонам труб (как правило, чем меньше трубы, тем больше поток и тем больше потери).Мы решили, что сможем свести потери давления к минимуму, если будем использовать 2-дюймовую трубу из ПВХ, но ближе к вершине мы переключились на более легкую 1,5-дюймовую трубу из ПВХ, чтобы сэкономить на транспортировке. Мы также решили использовать стальную трубу для дополнительной прочности там, где система пересекает самый широкий участок основного ручья.

Вместо того, чтобы пытаться прорвать каменистые обнажения, чтобы засыпать трубы из ПВХ, мы решили положить их на землю и полагаться на постоянный поток воды во избежание замерзания. Мы планировали следить за температурой воды и, когда становится слишком холодно, перекрывать трубы, пока не вернется теплая погода.В нашем мягком климате мы обычно можем рассчитывать на гидроэнергетику практически все, кроме нескольких недель в году.

Затем мы взвесили различные системы водозабора; все, что мы выберем, должно уметь фильтровать мусор, устранять пузырьки воздуха и удалять осадок. Это, вероятно, самый важный компонент установки и, безусловно, тот, который потенциально может вызвать наибольшие проблемы. Чтобы проверить это, требуется сложный подъем.

Мы остановились на системе, состоящей из двух частей: ведро и отстойник.Мы поместили ведро под низкий водопад, накрыв его сеткой для фильтрации крупного мусора; сильный поток очищает сетку и препятствует осаждению более мелкого осадка на дне ведра, отправляя его вместе с водой по трубе в отстойник, расположенный дальше по линии.

(Следует признать, что этот тип системы лучше всего работает с таким чистым потоком, как наша. Тем не менее, для надежности мы установили вторую точку забора воды чуть ниже ведра.)

Для отстойника нам нужно было что-то достаточно большое, чтобы ил мог опускаться на дно, а пузыри подниматься вверх, оставляя только чистую воду для выхода на среднем уровне.Зная, что вертикальный резервуар является лучшим сепаратором, чем горизонтальный резервуар, мы выбрали негабаритный пластиковый контейнер для мусора.

Мы закрыли выход из отстойника к гидрооборудованию сеткой с мелкими ячейками, чтобы предотвратить прохождение крупных частиц, которые могут забить форсунку на конце трубопровода. Пузырьки воздуха и турбулентность перемещают эти частицы к поверхности резервуара, откуда они уносятся вместе с излишками воды. (Отстойник выполняет функцию перелива, поскольку в него поступает гораздо больше воды, чем требуется для гидросистемы.Средний расход в ручье составляет 100 галлонов в минуту, в то время как максимальный, который мы используем для гидросистемы, составляет 30 галлонов в минуту. Четыре переливные трубы ведут от верхней части резервуара обратно к ручью.)

Система установлена, оперативно проведены испытания на давление и расход. Наши измерения показали статическое давление (давление на дне трубопровода, когда вода не течет) в 155 фунтов на квадратный дюйм (psi). При скорости потока 30 галлонов в минуту мы измерили 140 фунтов на квадратный дюйм, как раз для турбины с одним соплом, самой дешевой конструкции.В ожидании прибытия нашего турбогенератора Harris — мощной версии с выходом от 24 до 28 В — мы построили для него защитный деревянный навес рядом с основным ручьем, чтобы упростить удаление сточных вод.

Одно из преимуществ гидроэнергетики перед солнечной — помимо соотношения затрат 10: 1 — состоит в том, что аккумуляторная батарея должна быть достаточно большой, чтобы обеспечивать пиковые нагрузки для пусковых двигателей, а также выдерживать рабочие нагрузки, превышающие мощность генератора. (В случае солнечных батарей батареи должны накапливать энергию в течение ночи и в дождливые дни, в то время как в случае гидроэнергетики вы можете рассчитывать на непрерывное производство электроэнергии.) Мы начали с шести батарей для дома на 12 В, включенных последовательно / параллельно. Однако они требовали чрезмерного обслуживания, поэтому мы перешли на четыре 6-вольтовых батареи для тележек для гольфа, что по-прежнему дало нам 6 киловатт-часов емкости. (Подробнее о батареях см. «The Almighty Battery», MEN, февраль / март 1999 г.)


В гидросистеме нашего типа генератор переменного тока должен постоянно вырабатывать полный ток (в нашем случае 50 ампер), даже когда он нам не нужен, чтобы избежать износа турбины. (Когда турбина не используется для выработки энергии, скорость вращения турбины увеличивается вдвое.) Таким образом, чтобы избежать перезарядки аккумуляторов, мы установили регулятор, который постоянно проверяет их напряжение; когда батареи полностью заряжены, избыточный ток передается на резисторную нагрузку. В качестве резисторов мы решили использовать группу элементов водонагревателя, поместив их вместе с батареями. Таким образом, в холодную погоду избыточная мощность нагревает батареи, увеличивая как их эффективность, так и ожидаемый срок службы.

В ожидании доставки инвертора, который преобразует постоянный ток наших батарей в 120 В переменного тока, мы обратились к проблеме подключения гидроэлектроэнергии к нашему дому.Мы смогли установить распределительную коробку с восемью цепями в стене рядом с нашей существующей коробкой выключателя. Семь цепей, которые мы хотели включить, независимо от источника энергии (сеть или гидроэнергетика), были перемещены в распределительную коробку. Затем водонагреватель был подключен к восьмому контуру, хотя это означало его модификацию, чтобы он работал на 120 В, а не на 240 В. Мы заменили существующие водонагревательные элементы на элементы меньшей мощности, чтобы установка потребляла не более 550 Вт.Даже в этом случае мы все равно можем запустить одну загрузку горячей стиральной машины и наслаждаться двумя неторопливыми горячими душами каждый день.

Для удобства мы проложили специальный провод между домом и аккумуляторной батареей, который позволяет нам удаленно контролировать напряжение батареи. У нас также есть измеритель переменного тока, который мы можем закрепить на проводе под напряжением 120 В, где он входит в коробку передаточного переключателя, для контроля потребляемого тока.

Как только инвертор прибыл, мы приступили к установке всех элементов управления в углу нашей соседней теплицы вместе с батареями.Поскольку мы хотели иметь возможность запускать двигатели и управлять торговым оборудованием, нам требовался инвертор мощностью не менее 2,5 кВт с хорошей импульсной способностью. Учитывая стоимость, мы купили недорогое модифицированное синусоидальное устройство.

Извлеченные уроки по гидроэнергетике

Вскоре после перехода на гидросистему мы поняли, что сделали несколько важных ошибок, которые необходимо исправить.

С опозданием мы обнаружили, что батареи выделяют водород, и что простая крышка и вентиляция не обязательно предотвратят взрыв расположенного рядом электрического оборудования.Нам нужно было переместить батареи.

Во-вторых, мы обнаружили, что модифицированный синусоидальный инвертор выдает мощность, заметно уступающую чистой синусоидальной мощности, к которой мы привыкли от сети. Многие люминесцентные лампы, которые мы установили, чтобы уменьшить нашу энергетическую нагрузку, не запускались. Компьютер начал сильно ломаться, а мотор видеомагнитофона перегорел так, как ремонтник не мог объяснить.

Что еще хуже, портативный гаусс-метр показал очень высокий уровень излучения электромагнитного поля (ЭМП) в теплице, где мы установили контрольное оборудование, большая часть которого исходит от инвертора.Уровень был достаточно высоким, чтобы сделать теплицу непригодной для проживания во время работы инвертора.

Мы вернули дилеру модифицированный синусоидальный инвертор и заменили его синусоидальным устройством, которое было в два раза дороже, но того стоило. Сейчас невозможно определить, работаем ли мы в сети или на гидроэнергетике, не проверив счетчики.

Еще до того, как появился новый инвертор, мы построили новый навес для всего управляющего оборудования с отдельным отсеком для батарей и водяных нагревательных элементов.Мы расположили здание в стороне от обычного пешеходного движения, чтобы обезопасить его от любых оставшихся электромагнитных помех. (Хотя новый синусоидальный инвертор работает чисто, регулятор батареи и кабели батареи излучают небольшое количество электромагнитного излучения.)

Мы используем нашу самодельную гидроэлектростанцию ​​уже больше года и очень счастливы. Только в одном случае система отключилась из-за разряженных батарей. Мы нагревали горячую воду весь день, плюс работали другие обычные нагрузки — холодильник, морозильная камера и тостер, а также нагрузки от двух вытяжных вентиляторов теплицы, которые, управляемые термостатами, включались автоматически

С тех пор мы добавили переключатель на нагреватель горячей воды, чтобы мы могли отключить его, когда увидим, что батареи разряжены.Мы также подключили этот переключатель так, чтобы тостер и водонагреватель не могли работать одновременно.

Если бы мы повторили этот проект еще раз, мы бы сделали еще одно изменение. Когда включается холодильник, свет на мгновение тускнеет из-за предельного размера провода, охватывающего 200-футовое расстояние между домом и инвертором. Этот провод должен быть тяжелее, но для его замены сейчас потребуется много копать.

Но в целом проект для нас очень удачный.Мы потратили в общей сложности 4000 долларов, но теперь экономим 50 долларов в месяц на Power Hill. А с двумя электрическими системами — независимо от того, замедляется ли наш ручей до тонкой струйки или выходит из строя сетка из плиток, — наши огни будут гореть.


Первоначально опубликовано: июнь / июль 2000 г.

Краткая история гидроэнергетики

От зарождения до современной эпохи

Некоторые из первых инноваций в использовании воды для производства энергии были изобретены в Китае во времена династии Хань между 202 г. до н.э. и 9 г. н.э.Отбойные молотки с приводом от вертикально установленного водяного колеса использовались для измельчения и лущения зерна, дробления руды и на ранних этапах производства бумаги.

Доступность гидроэнергетики долгое время была тесно связана с ускорением экономического роста. Когда Ричард Аркрайт основал в 1771 году Кромфорд Милл в долине Дервент в Англии для прядения хлопка и, таким образом, основал одну из первых в мире фабричных систем, он использовал гидроэнергетику.

Участие во Всемирном конгрессе по гидроэнергетике 2021 года бесплатное.
Зарегистрируйтесь сегодня и приобретите знания в области гидроэнергетики.

Изобретения в технологии турбин

Некоторые из ключевых достижений в гидроэнергетике произошли в первой половине девятнадцатого века. В 1827 году французский инженер Бенуа Фурнейрон разработал турбину, способную производить около 6 лошадиных сил, — самую раннюю версию реакционной турбины Фурнейрона.

В 1849 году британско-американский инженер Джеймс Фрэнсис разработал первую современную водяную турбину — турбину Фрэнсиса, которая до сих пор остается самой широко используемой водяной турбиной в мире.В 1870-х годах американский изобретатель Лестер Аллан Пелтон разработал колесо Пелтона, импульсную водяную турбину, которую он запатентовал в 1880 году.

В 20-м веке австрийский профессор Виктор Каплан разработал турбину Каплана в 1913 году — турбину пропеллерного типа с регулируемой лезвия.

Первые гидроэнергетические проекты

Первый в мире гидроэнергетический проект был использован для питания одной лампы в загородном доме Cragside в Нортумберленде, Англия, в 1878 году. Четыре года спустя был построен первый завод, обслуживающий систему частных и коммерческих клиентов была открыта в Висконсине, США, и в течение десяти лет в эксплуатации находились сотни гидроэлектростанций.

В Северной Америке гидроэлектростанции были установлены в Гранд-Рапидс, штат Мичиган (1880 г.), Оттаве, Онтарио (1881 г.), Долгевилле, штат Нью-Йорк (1881 г.), и Ниагарском водопаде, штат Нью-Йорк (1881 г.). Их использовали для снабжения мельниц и освещения некоторых местных построек.

К началу века технология распространилась по всему миру: Германия произвела первую трехфазную гидроэлектрическую систему в 1891 году, а Австралия запустила первую государственную электростанцию ​​в Южном полушарии в 1895 году.В 1895 году на Ниагарском водопаде была создана крупнейшая в мире гидроэлектростанция того времени — электростанция Эдварда Дина Адамса.

К 1900 году сотни малых гидроэлектростанций уже работали по мере распространения новой технологии по всему миру. В Китае в 1905 году на ручье Синдянь недалеко от Тайбэя была построена гидроэлектростанция установленной мощностью 500 кВт.

Век быстрых изменений

Двадцатый век стал свидетелем стремительных инноваций и изменений в конструкции гидроэнергетических объектов.

Политика, принятая президентом США Франклином Рузвельтом, включая «Новый курс» 1930-х годов, поддерживала строительство нескольких многоцелевых проектов, таких как плотины Гувера и Гранд-Кули, где к 1940 году гидроэнергетика обеспечивала 40% выработки электроэнергии в стране. [ 1] [2]

С 1940-х по 1970-е годы, первоначально вызванные Второй мировой войной, за которой последовал сильный послевоенный экономический рост и рост населения, государственные коммунальные предприятия построили значительные объекты гидроэнергетики по всей Западной Европе, а также в Советском Союзе. Союз, Северная Америка и Япония. [3]

Дешевая гидроэнергетика рассматривалась как один из лучших способов удовлетворить растущий спрос на энергию и часто была связана с развитием энергоемких отраслей, таких как алюминиевые заводы и сталелитейные заводы.

За последние десятилетия двадцатого века Бразилия и Китай стали мировыми лидерами в области гидроэнергетики. Плотина Итайпу, охватывающая Бразилию и Парагвай, открылась в 1984 году с мощностью 12 600 МВт — с тех пор она была увеличена и модернизирована до 14 000 МВт — и сегодня уступает по размеру только плотине «Три ущелья» мощностью 22 500 МВт в Китае.

Десятилетний рост производственных мощностей в конце 1980-х годов стагнировал, а затем упал в 1990-х. Это было связано с растущими финансовыми ограничениями и озабоченностью, выраженной по поводу экологических и социальных последствий развития гидроэнергетики, что привело к остановке многих проектов по всему миру. [4]

Кредитование и другие формы поддержки со стороны международных финансовых институтов (МФИ), в первую очередь Всемирного банка, прекратились в конце 1990-х годов, что особенно повлияло на строительство гидроэнергетики в развивающихся странах.

Повышенное внимание к устойчивости

К концу века, в течение которого глобальное понимание экологических и социальных последствий возросло, начался процесс переоценки значения и роли гидроэнергетики в национальном развитии. В 2000 году исторический отчет, опубликованный Всемирной комиссией по плотинам (WCD), бросил вызов существующей практике и инициировал изменения в планировании и развитии гидроэнергетики с акцентом на устойчивость и затронутые сообщества. [5] [6]

Международная ассоциация гидроэнергетики (IHA), созданная под эгидой ЮНЕСКО в 1995 г., начала работу над Руководящими принципами устойчивого развития IHA в 2004 г., в которых также учтены стратегические приоритеты WCD. как Политика безопасности Всемирного банка, Стандарты деятельности Международной финансовой корпорации и Принципы Экватора. Эти руководящие принципы привели к разработке Протокола оценки устойчивости гидроэнергетики (HSAP), многостороннего инструмента для оценки проектов на всех этапах их жизненного цикла.

Эти разработки привели к фундаментальному сдвигу в том, как лучше всего планировать, разрабатывать и эксплуатировать гидроэнергетические проекты, и привели к растущему признанию роли технологии в борьбе с изменением климата, сокращении бедности и повышении благосостояния.

Новая эра гидроэнергетики

Вскоре после начала двадцать первого века развитие гидроэнергетики получило новый импульс, особенно в Азии и Южной Америке.

В период с 2000 по 2017 год во всем мире было добавлено почти 500 ГВт установленной мощности гидроэлектростанций, что представляет собой рост на 65 процентов, причем с 2010 года рост уже опережает рост, зафиксированный в первом десятилетии века.

Значительный рост установленной мощности и выработки гидроэлектроэнергии был вызван множеством часто взаимосвязанных факторов, в частности:

Спрос на энергию в странах с развивающейся экономикой

Развивающимся странам, включая Бразилию и Китай, требовались доступные и надежные и устойчивый источник электроэнергии для поддержки быстрого экономического роста. С 2000 года Китай более чем в четыре раза увеличил установленную мощность до 341 ГВт (2017 год), что составляет более половины мирового роста гидроэнергетических мощностей.

Инвестиции и торговля по линии Юг-Юг

Бум инвестиций и торговли по линии Юг-Юг (между развивающимися странами) стал важнейшим источником финансирования гидроэнергетики и передачи технологий. С 2004 по 2012 год торговля гидроэнергетической продукцией и оборудованием по линии Юг-Юг увеличилась с менее 10 процентов от общего объема мировой торговли до почти 50 процентов.

Национальные банки развития и частные инвесторы из стран с развивающейся экономикой, таких как Китай, Бразилия и Таиланд, стали основными участниками прямых иностранных инвестиций (ПИИ), которые в прошлом в основном предоставлялись международными агентствами развития и многосторонними банками развития.

В рамках стратегии правительства Китая «Выход» и инициативы «Один пояс, один путь» китайские компании и банки вложили около 25 миллиардов долларов США в зарубежные проекты в период с 2000 по 2016 год и в результате стали мировыми лидерами в развитии гидроэнергетики.

Многосторонние соглашения и цели

В последнее десятилетие возросло признание роли гидроэнергетики в достижении согласованных на международном уровне результатов в области развития, например, посредством Целей устойчивого развития и климатических целей, включая Парижское соглашение, которые повлияли на цели национальной политики.В частности, для проектов малой гидроэнергетики (менее 20 МВт) был использован механизм чистого развития, который был введен в рамках Киотского протокола, предшествующего Парижскому соглашению, для поощрения чистого и устойчивого развития.

Поддержка Всемирного банка и международных финансовых организаций

Кредит Всемирного банка на развитие гидроэнергетики увеличился с нескольких миллионов долларов в 1999 году до почти 2 миллиардов долларов в 2014 году. инвестора »важному« организатору », который предоставляет помощь в технических знаниях и привлекает к участию других финансистов.Хотя денежная стоимость кредитов Всемирного банка составляет небольшую часть от общей суммы, инвестируемой в сектор каждый год, возобновление обязательств банка в области гидроэнергетики наряду с другими международными финансовыми учреждениями, включая Азиатский банк развития, способствовало увеличению инвестиций и участия частного сектора.

Будущее

Ожидается, что благодаря многочисленным услугам и преимуществам гидроэнергетика останется крупнейшим в мире источником возобновляемой электроэнергии на долгие годы и со значительным неиспользованным гидроэнергетическим потенциалом; Ожидается, что большая часть будущего роста сектора будет приходиться на Африку и Азию.

В 2018 году IHA в своем годовом отчете о состоянии гидроэнергетики сообщило, что установленная мощность гидроэнергетики во всем мире выросла до 1267 ГВт, при этом рекордные 4185 ТВтч были выработаны в 2017 году.

По данным Международного энергетического агентства, Для достижения основных связанных с энергетикой компонентов Целей устойчивого развития, включая обязательство Парижского соглашения ниже двух градусов Цельсия, в течение следующих двух десятилетий необходимо будет ввести в действие около 800 ГВт дополнительной гидроэнергетики.

Сколько гидроэнергии я могу произвести?

Если вы имеете в виду мощность , прочтите, сколько энергии я могу произвести от гидротурбины?
Если вы имеете в виду гидроэнергетику , энергию (это то, что вы продаете), читайте дальше.

Энергия — это все; вы можете продавать энергию, но не можете продавать электроэнергию (по крайней мере, в контексте малой гидроэнергетики). Люди часто одержимы желанием максимально возможной выходной мощности гидросистемы, но на самом деле это не имеет значения.

Когда вы продаете электроэнергию, вам платят в зависимости от количества продаваемых кВтч (киловатт-часов) (т. Е. На основе энергии), а не от произведенной вами электроэнергии. Энергия — это способность выполнять работу, а мощность — это скорость, с которой работа может выполняться. Это немного похоже на мили и мили в час; эти два понятия явно связаны, но принципиально различны.

Если вы хотите получить быстрый ответ на вопрос, посмотрите таблицу ниже, в которой показано, сколько гидроэнергии будет произведено в год для ряда гидросистем с различной максимальной выходной мощностью.Интересно отметить, что «средний» дом в Великобритании потребляет 12 кВтч электроэнергии каждый день или 4368 кВтч в год. Следовательно, также показано количество «домов с электропитанием в среднем в Великобритании». Ниже приводится более подробное обсуждение для всех, кто заинтересован.

Максимальная выходная мощность Годовое производство энергии [AEP] Количество «средних» домов в Великобритании, эксплуатируемых
5 кВт 22 МВтч 5
25 кВт 110 МВтч 25
50 кВт 219 МВтч 50
100 кВт 438 МВтч 100
250 кВт 1095 МВтч 250
500 кВт 2190 МВтч 500

Для любой гидроэнергетической площадки, после того как все особенности этой площадки будут учтены и «Hands Off Flow (HOF)» согласован с регулирующим органом по охране окружающей среды, обычно будет один оптимальный выбор турбины, который будет наилучшим образом использовать водные ресурсы доступны и приводят к максимальному производству энергии.Максимизация производства гидроэнергии в рамках имеющегося бюджета проекта — один из ключевых навыков инженера-гидроэнергетика.

Чтобы точно оценить, сколько энергии производит гидроэнергетическая система, необходимо специальное программное обеспечение, но вы можете получить хорошее приближение, используя «коэффициент мощности». Фактор мощности — это в основном годовое количество энергии, производимой гидросистемой, деленное на теоретический максимум, если система работает с максимальной выходной мощностью 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. Для типичного объекта в Великобритании с турбиной хорошего качества и максимальной скоростью потока Q означает и HOF Q 95 , можно показать, что коэффициент мощности будет приблизительно равен 0.5. Предполагая, что вы знаете максимальную выходную мощность гидросистемы, годовое производство энергии (AEP) из системы можно рассчитать по формуле:

Годовое производство энергии (кВтч) = максимальная выходная мощность (кВт) x количество часов в году x коэффициент мощности

Обратите внимание, что в (невисокосном) году 8 760 часов.

В качестве примера, для вышеприведенных участков с низким и высоким напором, оба из которых имеют максимальную выходную мощность 49,7 кВт, годовая выработка гидроэнергии (AEP) будет:
AEP = 49.7 (кВт) X 8 760 (ч) X 0,5 = 217 686 (кВт-ч)

Выработка энергии может быть максимизирована за счет очистки входного экрана от мусора, что обеспечивает максимальный напор системы. Этого можно добиться автоматически, используя наш инновационный экран GoFlo Traveling, произведенный в Великобритании нашей дочерней компанией. Откройте для себя преимущества установки путевого экрана GoFlo на вашу гидроэнергетическую систему в этом тематическом исследовании: Максимальное использование преимуществ гидроэнергетических технологий с помощью инновационной технологии путевых экранов GoFlo.

Вернуться в Учебный центр Hydro

Вы рассматриваете гидроэнергетический проект?

Компания

Renewables First имеет значительный опыт работы в качестве консультанта по гидроэнергетике и обладает всеми возможностями проекта, от первоначального технико-экономического обоснования до проектирования и установки системы.

Первым шагом к развитию любого участка гидроэлектростанции является проведение полного технико-экономического обоснования.

Свяжитесь с нами по поводу технико-экономического обоснования сегодня!

По завершении вы поймете потенциал сайта и получите рекомендации по дальнейшим шагам по развитию вашего проекта.Вы можете узнать больше о гидроэнергетике в нашем Учебном центре по гидроэнергетике.

Сведите к минимуму ручную очистку вашего водозаборного экрана, максимизируйте финансовую отдачу вашей гидроэнергетической системы и защитите рыбу и угрей с помощью дорожных экранов GoFlo. Узнайте больше здесь.

Micro-Hydro Power — Центр альтернативных технологий

Микрогидротурбины могут быть очень эффективной и удобной формой маломасштабной возобновляемой электроэнергии. Подходящие места будут не так распространены, потому что лучшие места будут на крутых холмах с быстрым течением воды.Собственность сообщества — отличный способ создания и использования гидроэнергетики.

Первоначальная стоимость гидроэлектроэнергии может быть довольно высокой, но на подходящем участке она может стать хорошей долгосрочной инвестицией. На объектах вне сети гидротурбина должна быть намного лучше в долгосрочной перспективе, чем дизельный генератор, работающий на электричестве.

Micro Hydro на CAT

Когда CAT начала свою деятельность в середине 1970-х годов, нам очень помогло то, что у нас была отличная площадка для использования энергии воды. Мы установили подержанную микрогидротурбину, чтобы обеспечить большую часть необходимой нам электроэнергии.CAT недавно модернизировали до новой турбины, которую вы можете увидеть, если посетите. Мы также построили новый укрытие и испытательный стенд для проведения обучающих семинаров по гидроэнергетике.

Сколько электроэнергии я могу произвести?

Хорошая гидросистема зависит от «напора» воды (перепада высот) и расхода. Чтобы оценить энергию в источнике воды, умножьте расход (в литрах в секунду) на напор (в метрах) на 10 (ускорение свободного падения). Уменьшите этот результат вдвое, чтобы учесть потери и неэффективность, чтобы получить представление о потенциальной выработке электроэнергии в ваттах.

Сколько электроэнергии вы можете производить в год, будет зависеть от сезонных потоков воды на вашем участке. Например, турбина мощностью 3 кВт, работающая в течение 4400 часов (около полугода), будет производить: 3 кВт x 4400 часов = 13 200 киловатт-часов (кВтч).

Какую турбину мне использовать?

Чтобы выбрать подходящую турбину, необходимо оценить имеющийся напор и расход на вашем участке. Как видно из приведенного выше уравнения, более высокая голова дает больше возможностей для обвязки.Кроме того, поскольку турбина с высоким напором вращается очень быстро, могут не потребоваться сложные редукторы или ремни.

Обычно для жизнеспособности турбины с более высоким напором требуется падение с высоты более 10 метров. Эти типы, такие как турбины Пелтона или Турго, сравнительно дешевы, просты в установке и хорошо работают в колеблющемся потоке воды.

Для мест с низким напором используются турбины Crossflow или Archimedes Screw, которые, как правило, намного больше при той же выходной мощности, потому что им необходимо иметь дело с большим расходом.

Большинство схем являются «русловыми» — это означает, что в них нет водохранилища, а воду из ручья берут только тогда, когда она доступна.

Сколько это будет стоить?

Микрогидроустановки чрезвычайно зависят от конкретной площадки. Цены сильно различаются в зависимости от типа и размера системы, а также от того, сколько работы вы можете вложить в себя. Базовое оборудование для автономной системы зарядки аккумуляторов мощностью 1 кВт может стоить от 5000 до 6000 фунтов стерлингов, плюс затраты на установку.

Возможно, можно сделать самодельную небольшую схему менее чем за 10 000 фунтов стерлингов, и в некоторых ситуациях это может быть дешевле, чем оплата затрат на подключение к сети.См., Например, линейку турбин Powerspout для мест с низким или высоким напором. Другое возможное дешевое решение — адаптировать водяной насос так, чтобы он работал как турбина.

Для немного большей гидроэнергетической установки общая стоимость может составлять от 5000 до 10 000 фунтов стерлингов за киловатт при профессиональной установке. Часто наблюдается экономия на масштабе: система мощностью 5 кВт может стоить всего на 50% больше, чем система мощностью 2 кВт.

Имейте в виду, что сама турбина может составлять только около 20% (одну пятую) от стоимости.Установка напорного водопровода (трубы) и выполнение всех других строительных работ часто обходятся гораздо дороже. Вам нужен полный план установки, чтобы получить полную разбивку затрат.

Схема микрогидравлики вполне может стоить намного больше, чем солнечная фотоэлектрическая батарея с аналогичной мощностью в киловатт. Однако, если большую часть года наблюдается хороший водный поток, то годовая выработка каждого киловатта гидроэнергии будет в несколько раз больше, чем каждый киловатт солнечной фотоэлектрической энергии. Если водяная турбина может работать с мощностью около 70%, то мощность на киловатт будет примерно в семь раз больше, чем у фотоэлектрической батареи.

Сколько будет окупаемости?

Независимо от того, что вы можете использовать напрямую, вы сэкономите около 16 пенсов за киловатт-час, исходя из текущих цен на электроэнергию.

Теперь вы можете получить обратно платежи по схеме Smart Export Guarantee (SEG). Это относится к любой генерируемой на месте электроэнергии, которую вы экспортируете в сеть, а не используете напрямую. Следовательно, чтобы требовать платежи SEG, вам понадобится тип интеллектуального счетчика, способного измерять экспортируемую электроэнергию (чего не могут сделать многие интеллектуальные счетчики первого поколения).

Вам следует присмотреться к магазинам и сравнить цены, предлагаемые на экспортируемую электроэнергию. Некоторые компании могут предложить приличную цену SEG, превышающую 5 пенсов за кВтч, но некоторые могут платить 1 пенсов за кВтч или меньше. Ассоциация солнечной торговли (STA) составила таблицу тарифов. STA утверждает, что справедливая цена составляет от 5 до 6 пенсов за кВтч. Такая цена сопоставима со ставками оптового рынка, которые получают крупные производители за продажу электроэнергии.

Дополнительные советы

Для получения дополнительной информации о том, подойдет ли микрогидроэнергетика для вашего объекта, ознакомьтесь с вопросами ниже или с некоторыми курсами и семинарами, которые предлагает CAT.

Вы можете посетить CAT, чтобы увидеть наши собственные гидроэнергетические системы. Мы также предлагаем семинары по гидроэнергетике для образовательных групп и короткие курсы по возобновляемым источникам энергии.

Эту страницу написал специалист по информационным технологиям CAT Джоэл Роусон. Вы можете связаться со мной, если у вас возникнут дополнительные вопросы (выберите «Бесплатная информационная служба» в форме).

Связанные вопросы

Как мне измерить расход для микрогидравлической схемы?

Существует несколько методов измерения расхода для потенциальной микрогидравлической схемы.Методы различаются по сложности и точности.

Для небольшого ручья проще всего перенаправить весь поток в контейнер известного размера и времени, необходимого для заполнения. Разделение объема на время дает приблизительную оценку расхода.

Для более крупного потока первоначальную оценку можно сделать, умножив скорость воды на площадь поперечного сечения. Скорость измеряется путем измерения времени движения поплавка на измеренном расстоянии потока (желательно прямо и без препятствий) и умножения на коэффициент от 0.8 (прямой ровный канал) и 0,6 (каменистый ручей). Площадь можно рассчитать, измерив глубину в нескольких точках по течению, взяв среднее значение и умножив на ширину в этой точке.

Более точный метод измерения расхода включает строительство деревянного водослива поперек ручья с V-образным или прямоугольным вырезом в нем. Если измерить высоту воды, протекающей через водослив, можно рассчитать расход (подробнее см. Ниже). Хотя этот метод изначально требует много работы, затем легко снять показания с водослива в течение определенного периода времени и установить изменение расхода.

Совершенно другой подход состоит в том, чтобы рассчитать площадь водосбора ручья по крупномасштабной карте, а затем рассчитать ожидаемый сток, используя статистику осадков, например, доступную в Метеорологическом бюро. Вам потребуются данные о геологии, осадках, транспирации и испарении. Результаты этого метода могут быть чрезвычайно точными, а также предсказывать, как поток будет меняться в течение года.

Другой вариант — «солевой глоток» — добавить солевой раствор и измерить проводимость на выходе с помощью кондуктометра.Это стоит покупать только в том случае, если вы проводите много оценок сайта, так как это стоит несколько сотен фунтов.

Плотины с насечками для оценки расхода воды

Обратите внимание: для вычисления этих уравнений вам понадобится компьютерная таблица или научный калькулятор из-за экспоненциальных функций.

Плотины с насечками для гидроэнергетики
  • Q — расход в кубических метрах в секунду
  • ч (в метрах) — высота воды над основанием выемки
  • L — ширина прямоугольной выемки и должна составлять не менее 3 x h

Расстояние от внешнего края выемки до края или берега ручья должно быть не менее 2 x h для обоих типов водослива.1,5

Водосливы должны быть водонепроницаемыми, иметь точные углы и острые края, а также устанавливаться вертикально и перпендикулярно потоку воды. Водослив должен вентилироваться воздухом под гребнем падающей воды. «Успокоительный пруд» прямо вверх по течению поможет поддерживать скорость воды перед плотиной на уровне не более 0,2 метра в секунду.

Более подробная информация об этих методах и других способах измерения потоков, водосборных площадей и т. Д. Содержится в книге «Идти вместе с потоком» (автора Langley & Curtis).К сожалению, эта книга в настоящее время не издается, но вы можете найти ее в библиотеке или из вторых рук.

На сайте Appropedia также есть некоторая информация об измерении скорости потока.

Какие разрешения мне нужны для установки микрогидросистемы?

Если вы планируете отводить из водотока более 20 кубометров (20000 литров или около 4400 галлонов) воды в день, вам потребуется лицензия на водозабор, даже если вода возвращается в водоток после прохождения турбины. .

Практически все малые гидроэнергетические проекты потребуют такой лицензии, поскольку даже расход 1 литр в секунду составляет 86 кубометров в сутки.

Лицензию на забор воды следует запрашивать в Агентстве по окружающей среде (в Англии и Уэльсе или SEPA в Шотландии), которое будет оценивать воздействие на экологию реки. Стоит связаться с ними заблаговременно, так как процесс может занять несколько месяцев.

Определенные меры по охране окружающей среды обычно связаны с полученным разрешением.К ним относятся оставление определенного потока в реке (т. Е. Абстрагирование только части) и установка заслонки и, возможно, прохода для рыбы или лестницы.

Для получения информации о лицензиях на забор воды и органах, участвующих в выдаче разрешений в различных частях Великобритании, см. Веб-страницу правительства Великобритании, посвященную экологическому управлению водными ресурсами.

Более крупные схемы могут включать дополнительные разрешения, например, если включен резервуар.

Вам также необходимо связаться с местным отделом планирования, поскольку обычно требуется разрешение на строительство (если, возможно, не ремонтируется старая гидроэнергетическая система) для установки соответствующих конструкций и трубопроводов.

На веб-сайте Британской гидроэнергетической ассоциации есть руководство по микрогидроэнергетике, включая более подробную информацию об этих аспектах планирования.

Могу ли я вырабатывать электричество с помощью водяной мельницы или водяного колеса?

Старые водные мельницы сложно приспособить для выработки электроэнергии, хотя это возможно. Водяная мельница — это эффективный способ выработки механической (скорее, электрической) энергии для непосредственного управления механизмами.

Большой, медленно движущийся водоем дает высокий крутящий момент (вращающее усилие).Поэтому водяные колеса работают на низких оборотах (менее 15 об / мин) и создают очень высокий крутящий момент. Это затрудняет выработку электроэнергии.

Очень сложно подключить водяное колесо с частотой вращения около 15 об / мин к генератору, которому требуется около 15000 об / мин. Двигатели или генераторы, работающие на очень низких оборотах, очень большие и дорогие; даже двигатель на 1000 об / мин намного больше, чем двигатель на 1500 об / мин.

Легче вырабатывать электричество там, где есть быстрый поток воды, который может быть направлен на турбину под высоким давлением.Большой размер водяных колес также делает их строительство более дорогостоящим по сравнению с водяными турбинами, и они требуют значительного технического обслуживания.

Можно приспособить водяное колесо. но может быть лучше вместо этого взглянуть на специализированную турбину с низким напором, такую ​​как поперечный поток или винт Архимеда. Или для небольшого предприятия — турбина с низким напором от Powerspout.

Что делать, если нет головы для микрогидросхемы?

Там, где практически нет капель, эффективное использование энергии воды будет очень трудным и может оказаться бесполезным.3) x 0,5 x p x A

  • V — скорость потока воды в метрах в секунду, это необходимо кубе
  • p — плотность, которая для воды составляет около 1000 кг на кубический метр.
  • A — площадь поперечного сечения, охватываемого ротором

Эффективность турбины будет тогда большим фактором в том, какая часть этой мощности может быть фактически преобразована в электричество (или в механическую энергию для водяного колеса с недокусом).

Для стационарных или буксируемых турбин КПД обычно довольно низкий.3) x 0,5 x 1000 x 0,07 = чуть более 2000 Вт. Таким образом, эффективность составляет чуть менее 5% (100/2000).

Стандартная микрогидросистема (где вода направляется по трубе) должна иметь общий КПД не менее 50% после всех потерь. Небольшая турбина с низким напором могла генерировать около 1 киловатта (1000 Вт) из потока 100 литров в секунду, падающего через 2 метра. Намного больше энергии от меньшего потока, если небольшой напор может быть создан путем направления потока воды на небольшое расстояние.

Другие проблемы с турбиной с нулевым напором

Речь пойдет не просто о том, чтобы поместить в поток гребную турбину. Для обеспечения длительного срока службы необходимо будет решить различные проблемы:

  • Обломки, стекающие по течению, когда они находятся в разливе, повреждают турбину или ее крепления.
  • Возможно, придется провести некоторые земляные работы в небольших ручьях, чтобы убедиться, что там есть достаточная глубина для погружения турбины при малых расходах.
  • При выходном напряжении 12 или 24 В постоянного тока потребуется тяжелый кабель для прокладки кабеля от генератора до дома, что может быть дорогостоящим (например, если длина кабеля превышает 20 метров).
  • Турбина должна быть легко доступна для удаления скопившихся сорняков.
  • Скорость потока будет очень сезонной, поэтому вам могут потребоваться другие источники энергии для удовлетворения потребностей в электроэнергии в более засушливые месяцы.
Что такое гидроцилиндровый насос?

Гидравлический цилиндр — это водяной насос, который использует энергию большого потока воды, падающего через небольшую высоту, для подъема небольшого процента (около 10%) на гораздо более высокий уровень.

«Составной» гидроцилиндр использует эту мощность для перекачивания отдельного водоема. Они очень привязаны к конкретному объекту, но всего с двумя движущимися частями могут быть надежным и экономичным решением на подходящем участке стоимостью около 1000 фунтов стерлингов.

Здесь, в CAT, выставлен напорный насос. Он использует поток воды, покидающий нашу гидротурбину, и перекачивает около 10% этой воды вверх примерно на 3 метра в воздух над озером.

Гидравлический насос — не новая технология. Впервые он был разработан около 1800 года одним из братьев Монгольфье, известных как изобретатели воздушных шаров с горячим воздухом.С тех пор насосы Ram производятся в Великобритании и стали очень распространены в сельских районах Великобритании в начале 20 века.

Рост доступности водопроводной воды и дешевой энергии (для насосов) в течение прошлого века привел к сокращению их использования в Великобритании, но они остаются надежным, экономичным и экологически чистым вариантом в правильной ситуации. В отдаленных и холмистых районах они предлагают надежный вариант откачки воды.

Для получения более подробной информации в интернет-магазине CAT есть книги по гидравлическим поршневым насосам.См., В частности, «Руководство по гидроцилиндрам и гидроцилиндровым насосам: руководство».

Могу ли я использовать насос в качестве гидроагрегата?

Некоторые типы водяных насосов можно адаптировать так, чтобы они эффективно работали в обратном направлении, и их можно было использовать для выработки электроэнергии. Это потенциально может быть намного дешевле — при мощности в несколько киловатт можно сэкономить несколько тысяч фунтов.

В нашем интернет-магазине есть книга «Насосы как турбины: руководство пользователя». Это дает практическую техническую информацию об использовании стандартных насосных агрегатов в качестве недорогой альтернативы обычным турбинам.Основное внимание уделяется обеспечению автономной выработки электроэнергии в удаленных местах.

Есть недавний пример «насоса как турбины» (PAT) в Tŷ Mawr Wybrnant. Ожидается, что турбина мощностью 4 кВт будет ежегодно подавать в сеть около 19 000 кВтч электроэнергии. Это сайт Национального фонда, и установка была осуществлена ​​Dŵr Uisce — совместным исследовательским проектом Тринити-колледжа Дублина и Бангорского университета.

Английская пара построила мини-гидроэлектростанцию ​​на своем заднем дворе, используя скромную реку и 1000-летнюю мельницу.- Кварц

Сомерсет, Англия — Еще в 2002 году Рэйчел Фейлден и Энтони Баттерсби получили возможность купить руины. Они раскупили его. Всего в нескольких шагах от их дома, он стоял на водном пути, проходящем через их сад в сельской местности недалеко от Бата, на западе Англии. Что особенно важно, они имели в виду то, что раньше она использовалась — мельница. Не говоря уже о том, что здание было без крыши и уменьшено до нескольких стен.

В выходные дни муж и жена, чья повседневная работа связана с улучшением здравоохранения в развивающихся странах, пришли к идее восстановить некогда производившую оболочку гидроэнергетического проекта, вырабатывая электроэнергию из течения реки.Это казалось очевидным: «Была эта мельница, которая была построена для того, чтобы использовать энергию реки, и она больше этого не делала», — сказал Баттерсби, который учился на архитектора и жил в доме у Теллисфорда Милл на реке. Практически всю жизнь.

Четырнадцать лет спустя их проект мощностью 55 киловатт запущен и работает, обеспечивая электроэнергией их дом и местные офисы , а также обеспечивая удобный источник дохода благодаря излишкам электроэнергии , которые они могут продавать в стране. сетка.Это означало огромные затраты времени и денег, запутанные бюрократические баталии и — возможно, прежде всего — стойкую веру в то, что это была хорошая идея с самого начала.

Будучи пионерами малых гидроэлектростанций в Великобритании, Фейлден и Баттерсби также проложили путь для других и доказали, что использование реки в качестве источника энергии для деревни возможно, даже если это непросто. По данным благотворительного фонда Renewable Energy Foundation, в Великобритании сейчас 598 малых гидроэнергетических проектов. Они варьируются по размеру от крошечных двух киловаттных установок до более четырех мегаватт для одной шотландской схемы.Это включает в себя несколько других на реке Фром и несколько переоборудованных мельниц.

Найдите реку

Тысячу лет назад англосаксы, люди германских и других племен, населявших Великобританию , , умели использовать энергию реки в этом месте.

Саксы построили эту оригинальную каменную плотину (вверху) в нескольких сотнях метров выше по течению от мельницы Теллисфорда, вынуждая скопление воды в «напор», который создавал давление, которое приводило в движение колеса мельницы, поворачивая камни, которые шли на землю. зерно в муку.Спустя столетия его использовали при производстве шерстяной ткани, а еще позже — для измельчения ткани для использования в качестве набивочного материала. В планах пары — впервые вырабатывать электричество на заброшенной фабрике.

Кварц

Турбина 1895 года.

Гидроэнергетические схемы делятся на две категории: так называемые «высокие напоры», когда вода, падающая с высоты, приводит в движение турбину за счет кинетической энергии; и низкий напор, где разница в давлении — ключ . Фейлден и Баттерсби, желая максимизировать количество производимой электроэнергии, решили не восстанавливать турбину 19 -го -го века, которая все еще находилась в разрушенной конструкции, и вместо этого выбрали новую турбину Каплана .

Tellisford — это схема с низким напором. Разница в давлении между входной и выходной сторонами установки компенсируется формованием лопаток турбины таким образом, чтобы расстояние по одной стороне лопатки было больше, чем по другой. Вода, текущая по длинной стороне лезвия, должна двигаться быстрее, чем вода, проходящая по короткой стороне; разница в скорости толкает лопасти. Эта кинетическая энергия преобразуется в электрическую с помощью генератора.

Плыть вверх по течению

Построить эту штуку было чрезвычайно сложно и трудоемко.Супруги потратили первый год проекта на выемку грунта — саксонского канала для перекачки воды из реки через мельницу. В течение второго года они выкапывали камни из отводов, чтобы использованная вода беспрепятственно стекала вниз по течению.

Прежде чем можно было начать строительство самой мельницы — на территории, охраняемой законами о наследии, — им пришлось тщательно составить планы по сохранению существующих стен. Они собрали данные, чтобы установить расход воды в течение года.На каждом этапе процесса рытья, строительства плотины, откачки и устранения утечек они должны были соответствовать строгим экологическим стандартам.

Кварц

Рэйчел Фейлден возле переоборудованной мельницы.

Фейлден вспоминает годы тяжелого труда с кривой смехом: «А потом, когда оно затопило, работу пришлось прекратить, и вам пришлось вытаскивать щуку из отстойника», — говорит она, имея в виду местную рыбу, которую часто приходилось спасать. насосная система. «Все это было очень практично».

Это обошлось паре примерно в 500 000 фунтов стерлингов (764 000 долларов), которые они профинансировали за счет капитала, привлеченного от продажи бывшего лондонского дома Фейлдена, и кредитов.Однажды, через много лет, они надеются выйти на уровень безубыточности.

Нападение бюрократов

Те, кто живет на водоеме в Великобритании, имеют «прибрежные» права на разумное использование реки или озера на своей земле. Но коммерческое использование реки требует более сложных разрешений. В начале 2000-х, когда возобновляемая энергия в ее современном виде только зарождалась, правительственные органы Великобритании, включая национальные и местные агентства по планированию, энергетике и окружающей среде, только начинали понимать новые требования.

Фейлден и Баттерсби описывают процесс, который длился годами и включал запутанное общение, горы бумажной работы, длительные задержки в принятии решений и изменение режима субсидий.

«Бюрократия для нас — это самый большой риск», — сказал Фейлден, вспоминая случай, когда им внезапно отказали в разрешении на продолжение проекта, хотя он уже шел полным ходом. (Это решение впоследствии было отменено.) Некоторые неудачи были кратковременными, например, когда Агентство по охране окружающей среды Великобритании настояло на том, чтобы в конструкцию турбины были включены «угряные трубы», чтобы предотвратить попадание угрей и молодых угрей в механизм.Остальные были дорогими. В 2015 году неожиданная отмена субсидии, Свидетельства об освобождении от уплаты налогов, сократила их годовой доход на 9%.

Но это их не остановило. Сегодня Теллисфорд получает доход в размере 27 000 фунтов стерлингов в год, включая государственную субсидию, которая продлится 20 лет.

«Мы знали, что это долгосрочный проект. Мы знали, что, как только это будет сделано, эта штука проработает как минимум 50, если не 100 лет », — говорит Фейлден. «Так что же между 15 годами до безубыточности или 17 годами до безубыточности? В долгосрочной перспективе это вряд ли имеет значение.Так что, если вы войдете в него с такой роскошью, что вам не придется никому платить дивиденды, у вас есть возможность пойти на риск ».

Вы не одиноки

Опыт пары помог сгладить путь для тех, кто пришел после первых последователей. Они получили грант на помощь в создании сети проектов по всей стране, которые, как они надеются, скоро будут запущены. В отчете Британской гидроэнергетической ассоциации за 2010 год было определено более 1600 возможных участков.

«Есть столько же разных способов, сколько и сайтов, — сказал Баттерсби.

Во время норманнского завоевания Британии в 1066 году, которое предшествует Теллисфорду Милл, на реках Великобритании насчитывалось более 5000 мельниц. Сегодня постепенно все больше и больше людей возвращаются к старым путям, на этот раз с помощью новых технологий.

Гидроэлектрический генератор

: как построить маленький

Гидроэлектрический генератор — лучшее, что можно построить для производства электроэнергии, если поблизости протекает ручей.

Все мы знаем, что ученые находятся в постоянном поиске альтернативных источников энергии, и это происходит потому, что в последние годы количество традиционных источников энергии начало значительно сокращаться.

Они разработали различные системы, которые преобразуют энергию природы в электричество, и многие из этих систем могут быть построены дома в меньшем масштабе, чтобы снизить потребление электроэнергии. После того, как мы увидели, как производить электричество с помощью магнитов или энергии ветра, пора поговорить о людях, которые живут у реки.

Часто называемую гидро-, микрогидро- или ручным гидроэлектрическим генератором с малым ударным воздействием , эту систему не очень сложно построить.

Чтобы построить гидроэлектрический генератор, вы должны выполнить следующие шаги:

1. Подготовка дисков

Наш гидроэлектрический генератор будет состоять из двух основных частей:
— Статор (эта часть не движется и снабжена витками провода для сбора электроэнергии)
— Ротор (ротор — это часть, которая движется и имеет несколько мощных магнитов. что вызовет электричество в катушках)
Сначала вам понадобятся шаблоны и картон. Два шаблона, которые содержат схему ротора и статора, необходимо вырезать и прикрепить к передней и задней части картона.После того, как эти шаблоны хорошо приклеены к картону, сделайте отверстие (1 см) в центре диска статора.

2. Присоединение статора

Теперь вам нужно сделать 4 катушки, которые будут прикреплены к картону. Для этого необходимо использовать картон с овальным сечением. Затем начните наматывать провода на этот картон, чтобы получилась плотная катушка (200 витков). Осторожно снимите катушку с овальной части и затем повторите эту процедуру, чтобы сделать еще три катушки.

Расположите катушки на картоне по шаблонной схеме (их обмотки должны чередоваться по часовой стрелке и против часовой стрелки).Вы должны быть уверены, что электрон будет следовать по пути, указанному стрелками на шаблоне, начиная с левой катушки против часовой стрелки.

Соедините концы катушек и используйте изоляционную ленту, чтобы избежать ошибок. Используйте мультиметр, чтобы проверить электрическое сопротивление (Ом). Если провода подключены правильно, счетчик должен показывать около 10 Ом.

3. Установка ротора

На этом этапе вам нужно прикрепить 4 сильных магнита к шаблону статора.Проверьте магниты, отметьте южный полюс на двух из них и северный полюс на двух оставшихся. Магниты должны быть расположены на шаблоне так, чтобы их полярность чередовалась (Н-С-Н-С).

Тогда вам понадобится пробка и 8 пластиковых ложек. Вы должны укоротить ложки так, чтобы длина ручки не превышала 1 см. Посмотрите на шаблон ротора и вставьте ложки в пробку (глубиной 1 см).

4. Турбина

Проделайте в пробке отверстие диаметром 6 мм (убедитесь, что отверстие находится по центру), снова зафиксируйте геометрическое положение ложек и добавьте немного горячего клея в каждую ложку, чтобы закрепить ее.

5. Корпус генератора и окончательная сборка

Найдите пластиковый резервуар или бутылку, чтобы прикрепить ротор, статор и небольшую турбину. После того, как вы найдете центр бака, проделайте в этом месте отверстие (6 мм) и закрепите статор с его катушками чуть выше отверстия. Затем прикрепите к одному валу турбину и ротор (ложки должны быть обращены к горлышку бутылки, а магниты должны быть близко к катушкам (3 мм между катушками и магнитами)).

Кажется, наш небольшой гидроэлектрический генератор почти готов к работе.Все, что нам сейчас нужно, это поток воды, чтобы турбина вращалась непрерывно, пока есть вода для ее вращения. Если турбина правильно подключена к генератору, этот поток должен производить достаточно гидроэлектроэнергии, чтобы обеспечивать энергией наши коммунальные предприятия или заряжать аккумуляторы.

Рабочий электрогенератор

Пользователь Youtube TheDamHeroes, вдохновленный разработкой, представленной в этой статье, разместил работающий гидроэлектрический генератор. Посмотрите его в действии ниже:

(Посещали 120,045 раз, сегодня 22 раза)

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.