Waterkrachtcentrale zelf maken: hoe u een autonome mini-waterkrachtcentrale bouwt

De kracht van waterstroming is een hernieuwbare natuurlijke hulpbron waarmee u vrijwel gratis elektriciteit kunt opwekken. Deze door de natuur geschonken energie biedt u de mogelijkheid om te besparen op energiekosten en het probleem van het opladen van apparaten op te lossen.

Als er een beek of rivier in de buurt van uw huis stroomt, is het de moeite waard om deze te benutten. Ze kunnen uw perceel en huis van elektriciteit voorzien. En als u zelf een waterkrachtcentrale bouwt, wordt het economische voordeel vele malen groter.

In het gepresenteerde artikel worden de technologieën voor het bouwen van particuliere waterbouwkundige constructies in detail beschreven. We hebben verteld wat u nodig heeft voor de installatie van het systeem en de aansluiting ervan op de verbruikers. Bij ons ontdekt u alle varianten van miniatuur-energieleveranciers, samengesteld uit alledaagse materialen.

Waterkrachtcentrales voor niet-industrieel gebruik

Waterkrachtcentrales zijn constructies die de energie van waterbeweging kunnen omzetten in elektriciteit. Alternatieve “groene” elektriciteitsleveranciers worden voorlopig alleen actief gebruikt in het Westen. Op het grondgebied van ons land zet deze veelbelovende sector nog maar de eerste voorzichtige stappen.

Kleine particuliere waterkrachtcentrales kunnen dammen op grote rivieren zijn die tientallen tot honderden megawatt produceren, of mini-waterkrachtcentrales met een maximumvermogen van 100 kW, wat voldoende is voor de behoeften van een woonhuis. Over deze laatste zullen we meer in detail leren.

Slingerstroomstation met hydroschroeven

De constructie bestaat uit een ketting van rotors, bevestigd op een flexibele staalkabel die over de rivier is gespannen. De kabel zelf dient als draaiende as, waarvan het ene uiteinde op een steunlager is bevestigd en het andere de as van de generator aandrijft.

Elke hydrorotor van de 'slinger' kan ongeveer 2 kW aan energie produceren, al moet de stroomsnelheid van het water daarvoor ten minste 2,5 meter per seconde zijn en de waterdiepte niet groter dan 1,5 m.

Het werkingsprincipe van een slingerwaterkrachtcentrale is eenvoudig: de waterdruk laat de hydroschroeven draaien, die op hun beurt een kabel aandrijven en de generator energie laten opwekken.

Slingercentrales werden al met succes gebruikt in het midden van de vorige eeuw, maar de rol van schroeven werd toen gespeeld door zelfgemaakte propellers en zelfs conservenblikjes. Tegenwoordig bieden fabrikanten verschillende soorten rotoren voor diverse gebruiksomstandigheden.

Ze zijn voorzien van bladen van verschillende grootte, gemaakt van plaatmetaal, en maken het mogelijk om een maximaal rendement van de centrale te behalen.

Hoewel deze waterkrachtgenerator vrij eenvoudig te maken is, vereist de exploitatie ervan een aantal speciale voorwaarden die in het echte leven niet altijd haalbaar zijn. Dergelijke constructies versperren de rivierbedding, en het is onwaarschijnlijk dat de buren langs de oever, om nog maar te zwijgen van vertegenwoordigers van milieudiensten, toestemming zullen geven om de energie van de stroom voor uw doeleinden te gebruiken.

Bovendien kan de installatie in de winter alleen worden gebruikt op wateren die niet bevriezen, en in barre klimaten moet ze worden geconserveerd of gedemonteerd. Daarom worden slingercentrales tijdelijk en voornamelijk in onbewoonde gebieden gebouwd (bijvoorbeeld nabij zomerweiden).

Rotorkrachtcentrales met een vermogen van 1 tot 15 kW/uur produceren tot 9,3 MW per maand en maken het mogelijk om zelf het elektrificatieprobleem op te lossen in regio's die verwijderd zijn van centrale hoofdleidingen.

Een modern alternatief voor de slingerinstallatie zijn onderwater- of drijvende raamcentrales met dwarsrotoren. In tegenstelling tot hun slingervoorganger blokkeren deze constructies niet de hele rivier, maar gebruiken ze slechts een deel van de rivierbedding, en ze kunnen worden geïnstalleerd op een ponton/vlot of zelfs op de bodem van het water worden geplaatst.

Verticale Darrieus-rotor

De Darrieus-rotor is een turbineapparaat dat zijn naam kreeg van zijn uitvinder in 1931. Het systeem bestaat uit meerdere aerodynamische bladen die zijn bevestigd op radiale balken, en werkt door een drukverschil volgens het principe van een 'draagvleugel', dat veel wordt gebruikt in de scheepsbouw en luchtvaart.

Hoewel dergelijke installaties meer worden gebruikt voor windturbines, kunnen ze ook met water werken. Maar in dat geval zijn nauwkeurige berekeningen nodig om de dikte en breedte van de bladen aan te passen aan de kracht van de waterstroom.

De Darrieus-rotor doet denken aan een 'windmolen', maar dan onder water geplaatst, en hij kan werken ongeacht seizoensfluctuaties in de stroomsnelheid.

Voor lokale waterkrachtcentrales worden verticale rotoren zelden gebruikt. Ondanks de redelijke rendementscijfers en de ogenschijnlijke eenvoud van de constructie, is de apparatuur vrij complex in gebruik.

Voor aanvang van de werkzaamheden moet het systeem worden 'opgestart', maar het stoppen van een gestarte centrale kan alleen door bevriezing van het water. Daarom wordt de Darrieus-rotor voornamelijk gebruikt in industriële bedrijven.

Een interessante oplossing op het gebied van het ontwerpen van kleine waterkrachtcentrales met een verticaal werkende turbine werd voorgesteld door de Oostenrijkse uitvinder Franz Zotlöterer:

Een zwaarwegend voordeel van draaikolkcentrales wordt terecht beschouwd als het behoud van visbestanden. De werking van de verticale turbine brengt geen schade toe aan de levende organismen van de rivier. Bovendien blijft er geen slib aan de wanden van de constructies hangen door de specifieke beweging van de waterstroom.

Onderwaterscheepsschroef

In wezen is dit de eenvoudigste lucht-windmolen, maar hij wordt onder water geplaatst. De afmetingen van de bladen, om maximale rotatiesnelheid en minimale weerstand te garanderen, worden berekend afhankelijk van de kracht van de stroming. Bijvoorbeeld, als de stroomsnelheid niet hoger is dan 2 m/s, dan moet de bladbreedte tussen 2-3 cm liggen.

Een onderwaterpropeller is niet moeilijk om zelf te maken, maar hij is alleen geschikt voor diepe en snelle rivieren – in ondiep water kunnen de draaiende bladen verwondingen toebrengen aan vissers, zwemmers, watervogels en dieren.

Een dergelijke windmolen wordt 'tegen' de stroming geplaatst, maar de bladen werken niet door de druk van de waterdruk, maar door het ontstaan van liftkracht (volgens het principe van een vliegtuigvleugel of scheepsschroef).

Waterrad met schoepen

Het waterrad is een van de eenvoudigste varianten van een hydraulische motor, al bekend sinds de tijd van het Romeinse Rijk. De efficiëntie van de werking hangt grotendeels af van het type bron waarop het is geïnstalleerd.

Een onderslagrad kan alleen draaien dankzij de snelheid van de stroming, terwijl een bovenslagrad draait door de druk en het gewicht van water dat van boven op de bladen valt.

Afhankelijk van de diepte en de bedding van de waterloop kunnen verschillende soorten raderen worden geïnstalleerd:

• Onderslagraderen (of onderwaterraderen) – geschikt voor ondiepe rivieren met snelle stroming.
• Borstkolkraderen – bevinden zich in beddingen met natuurlijke watervallen, zodat de stroming ongeveer het midden van de draaiende trommel raakt.
• Nalivnyje (of Verkhnebojnyje) – worden onder een dam, pijp of in het onderste deel van een natuurlijke stroomversnelling geplaatst, zodat het neervallende water zijn weg over de top van het wiel vervolgt.

Maar het werkingsprincipe is voor alle varianten hetzelfde: water komt op de schoepen en zet het wiel in beweging, dat de generator van de mini-waterkrachtcentrale laat draaien.

Fabrikanten van waterkrachtapparatuur bieden kant-en-klare turbines aan, waarvan de schoepen speciaal zijn aangepast aan een bepaalde watersnelheid. Maar doe-het-zelvers maken trommelconstructies op de ouderwetse manier – van voorhanden materiaal.

De volgende fotoreeks helpt u kennis te maken met de stappen voor het bouwen van de eenvoudigste versie van een mini-waterkrachtcentrale:

Misschien heeft het gebrek aan optimalisatie invloed op de rendementscijfers, maar de kosten van zelfgemaakte apparatuur zijn vele malen lager dan die van een gekochte tegenhanger. Daarom is het waterrad de meest populaire optie voor het opzetten van uw eigen mini-waterkrachtcentrale.

Voorwaarden voor de installatie van een waterkrachtcentrale

Ondanks de verleidelijke goedkoopheid van de door de hydrogenerator opgewekte energie, is het belangrijk rekening te houden met de kenmerken van de waterbron waarvan u de hulpbronnen voor uw eigen behoeften wilt gebruiken.

Immers, niet elke waterloop is geschikt voor exploitatie van een mini-waterkrachtcentrale, zeker niet voor jaarrond gebruik, dus is het verstandig om een aansluiting op het centrale netwerk als reserve te hebben.

Enkele voordelen en nadelen

De belangrijkste voordelen van een individuele waterkrachtcentrale zijn duidelijk: goedkope apparatuur die goedkope elektriciteit produceert en bovendien geen schade toebrengt aan de natuur (in tegenstelling tot dammen die de rivierstroming blokkeren). Hoewel het systeem niet absoluut veilig kan worden genoemd - de draaiende elementen van de turbines kunnen immers verwondingen toebrengen aan bewoners van de onderwaterwereld en zelfs aan mensen.

Om ongelukken te voorkomen moet de waterkrachtcentrale worden afgezet, en als het systeem volledig onder water is verborgen, moet er een waarschuwingsbord op de oever worden geplaatst.

Voordelen van een mini-waterkrachtcentrale:

1. In tegenstelling tot andere 'gratis' energiebronnen (zonnepanelen, windturbines) kunnen watersystemen onafhankelijk van het tijdstip van de dag en het weer werken. Het enige dat hen kan hinderen, is het bevriezen van het water.
2. Voor de installatie van een watergenerator is geen grote rivier nodig - dezelfde waterraderen kunnen met succes worden gebruikt, zelfs in kleine (maar snelle!) beken.
3. De installaties stoten geen schadelijke stoffen uit, vervuilen het water niet en werken vrijwel geluidloos.
4. Voor de installatie van een mini-waterkrachtcentrale met een vermogen tot 100 kW is geen vergunning nodig (hoewel dit afhangt van de lokale autoriteiten en het type installatie).
5. Overtollige elektriciteit kan worden verkocht aan naburige huizen.

Wat de nadelen betreft - een onvoldoende stromingskracht kan een ernstige belemmering vormen voor een productieve exploitatie van de apparatuur. In dat geval moeten er hulpconstructies worden gebouwd, wat gepaard gaat met extra kosten.

Als de potentiële energie van een nabijgelegen rivier bij een globale berekening niet voldoende is om elektriciteit te produceren in een hoeveelheid die geschikt is voor praktisch gebruik, dan is het de moeite waard om aandacht te besteden aan methoden voor het bouwen van windturbines. Een windmolen zal een effectieve aanvulling zijn.

Het meten van de kracht van de waterstroom

Het eerste dat u moet doen om na te denken over het type en de manier van installatie van de centrale, is het meten van de snelheid van de waterstroom op de gekozen bron.

De eenvoudigste manier is om een licht voorwerp (bijvoorbeeld een tennisbal, een stuk piepschuim of een visdobber) in de stroomversnelling te laten vallen en met een stopwatch de tijd te meten die het nodig heeft om een bepaalde afstand tot een oriëntatiepunt af te leggen. De standaardafstand voor de 'zwemtocht' is 10 meter.

Als het waterlichaam ver van huis is, kunt u een omleidingskanaal of pijpleiding aanleggen en tegelijkertijd zorgen voor hoogteverschillen.

Nu moet u de afgelegde afstand in meters delen door het aantal seconden - dat is de stroomsnelheid. Maar als de verkregen waarde minder is dan 1 m/s, zijn kunstmatige constructies nodig om de stroom te versnellen met hoogteverschillen.

U kunt dit realiseren met behulp van een demonteerbare dam of een smalle afvoerpijp. Maar zonder een goede stroming moet u het idee van een waterkrachtcentrale laten varen.

Bouw van een waterkrachtcentrale op basis van een waterrad

Het is uiteraard een fantastisch idee om een enorm bouwwerk te maken dat bedoeld is om een bedrijf of een nederzetting van zelfs maar een tiental huizen te bedienen. Maar het is heel goed mogelijk om met uw eigen handen een mini-waterkrachtcentrale te bouwen om elektriciteit te besparen. Daarbij kunt u zowel kant-en-klare onderdelen als voorhanden materialen gebruiken.

Daarom bekijken we stap voor stap de vervaardiging van de eenvoudigste constructie: een waterrad.

Benodigde materialen en gereedschappen

Om met uw eigen handen een mini-waterkrachtcentrale te maken, moet u een lasapparaat, een haakse slijper, een boormachine en een set hulpgereedschappen – een hamer, een schroevendraaier, een liniaal.

Van materialen heeft u nodig:

• Hoekijzers en plaatstaal met een dikte van minimaal 5 mm.
• PVC-buizen of gegalvaniseerd stalen buizen voor het maken van de schoepen.
• Generator (u kunt een kant-en-klare kopen of er zelf een maken, zoals in dit voorbeeld).
• Remschijven.
• As en lagers.
• Multiplex.
• Polystyreenhars voor het gieten van rotor en stator.
• Koperdraad van 15 mm voor de zelfgemaakte generator.
• Neodymiummagneten.

Houd er rekening mee dat de wielconstructie voortdurend in contact zal komen met water, daarom moeten metalen en houten onderdelen worden gekozen met vochtbescherming (of u moet zelf zorgen voor impregnering en verven). Idealiter kunt u multiplex vervangen door plastic, maar houten onderdelen zijn gemakkelijker te verkrijgen en in de gewenste vorm te brengen.

Montage van het wiel en vervaardiging van de straalpijp

De basis voor het wiel zelf kunnen twee stalen schijven van dezelfde diameter zijn (als u een stalen kabeltrommel kunt krijgen – uitstekend, dit versnelt het montageproces aanzienlijk).

Maar als er geen metaal in de voorhanden materialen zit, kunt u ook cirkels uit waterbestendig multiplex snijden, hoewel de sterkte en levensduur van zelfs behandeld hout niet te vergelijken zijn met staal. Vervolgens moet u in een van de schijven een rond gat snijden voor de installatie van de generator.

Daarna worden de schoepen gemaakt, en u heeft er minstens 16 nodig. Hiervoor worden gegalvaniseerde buizen in de lengte in twee of vier delen gesneden (afhankelijk van de diameter). Vervolgens moeten de snijvlakken en het oppervlak van de schoepen worden geschuurd om energieverlies door wrijving te verminderen.

De schoepen worden onder een hoek van ongeveer 40-45 graden geplaatst – dit helpt het oppervlak te vergroten waarop de kracht van de stroming inwerkt.

De afstand tussen de twee zijschijven moet zo dicht mogelijk bij de lengte van de schoepen liggen. Om de locatie van de toekomstige naven te markeren, wordt aanbevolen een sjabloon van multiplex te maken, waarop de plaats voor elk onderdeel en de gaten voor het bevestigen van het wiel aan de generator worden aangegeven. De voltooide markering kan aan de buitenkant van een van de schijven worden bevestigd.

Vervolgens worden de cirkels parallel aan elkaar geplaatst met behulp van staven met een doorlopende schroefdraad, en worden de bladen op de gewenste posities gelast of met bouten bevestigd. De trommel zal draaien op lagers, en als ondersteuning wordt een frame van hoekprofielen of buizen met een kleine diameter gebruikt.

In dit stadium kan de montage van de trommel als voltooid worden beschouwd; het moet nog worden uitgerust met een zelfgemaakte generator en een mondstuk dat de waterstroom leidt.

Het mondstuk is bedoeld voor waterbronnen van het cascadetype – een dergelijke opstelling maakt het mogelijk om de energie van de stroom maximaal te benutten. Dit hulpstuk wordt vervaardigd door plaatmetaal te buigen en vervolgens de naden te lassen, en wordt daarna op een buis gemonteerd.

Echter, als in uw omgeving een laaglandrivier stroomt zonder stroomversnellingen of andere hoogtebelemmeringen, is dit onderdeel niet nodig.

Het is belangrijk dat de breedte van de uitlaatopening van het mondstuk overeenkomt met de breedte van het wiel zelf, anders zal een deel van de stroom 'inactief' gaan, zonder op de bladen te vallen.

Nu moet het wiel op de as worden gemonteerd en op een steun van gelaste of met bouten verbonden hoekprofielen worden geplaatst. Het enige dat nog overblijft is het maken van een generator (of het installeren van een kant-en-klare) en u kunt naar de rivier gaan.

Zelfgemaakte generator

Voor het maken van een zelfgemaakte generator moeten de wikkeling en het gieten van de stator worden gedaan, waarvoor spoelen met 125 windingen koperdraad per stuk nodig zijn. Na het verbinden ervan wordt de hele constructie met polyesterhars gegoten.

Elke fase bestaat uit drie in serie geschakelde spoelen, dus de verbinding kan worden gemaakt in de vorm van een ster of een driehoek met meerdere externe aansluitingen.

Nu moet er een multiplex sjabloon worden voorbereid dat qua afmetingen overeenkomt met de remschijf.

Op een houten ring worden markeringen aangebracht en worden uitsparingen gemaakt voor het plaatsen van magneten (in dit geval werden neodymiummagneten gebruikt met een dikte van 1,3 cm, breedte van 2,5 cm en lengte van 5 cm). Vervolgens wordt de verkregen rotor ook met hars gegoten, en na droging – wordt deze aan de trommel van het wiel bevestigd.

Waterrad met een rotor van remschijven en een generator van spoelen koperdraad – geschilderd, representatief en klaar voor gebruik

Als laatste wordt een aluminium behuizing met een ampèremeter gemonteerd die de gelijkrichters afdekt. De taak van deze elementen is om driefasige stroom om te zetten in gelijkstroom.

Na het plaatsen van het wiel in de stroom van een kleine rivier met een cascade of een aftakleiding, kan worden gerekend op een productie van de mini-waterkrachtcentrale van 1,9A * 12V bij 110 omwentelingen per minuut.

Om te voorkomen dat bladeren, zand en ander vuil dat met de stroom wordt meegevoerd in het wiel terechtkomen, is het raadzaam om voor het apparaat een beschermend gaas te plaatsen.

Ook kunt u experimenteren met de ruimtes tussen de magneten en spoelen met een verhoogd aantal windingen om het rendement van de waterkrachtcentrale te verhogen.

Over alle soorten alternatieve energiebronnen komt u te weten door het artikel te lezen dat gewijd is aan de implementatie van “groene technologieën” in het dagelijks leven.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Video #1. Voorbeeld van een werkende waterkrachtinstallatie met een zelfgemaakte generator op basis van een driefasige motor:

Video #2. Mini-waterkrachtcentrale, geconstrueerd volgens het principe van een waterrad:

Video #3. Station op basis van een fietswiel – een interessante oplossing voor het energievoorzieningsprobleem tijdens een vakantie ver van de beschaving:

Zoals u ziet, is het niet zo moeilijk om met uw eigen handen een waterkrachtcentrale te bouwen. Maar aangezien de meeste berekeningen en parameters voor de componenten 'op het oog' worden bepaald, moet u voorbereid zijn op mogelijke defecten en bijbehorende kosten.

Als u een gebrek aan kennis en ervaring op dit gebied voelt, is het raadzaam om te vertrouwen op specialisten die alle benodigde berekeningen uitvoeren, de optimale apparatuur voor uw situatie adviseren en deze kwalitatief installeren.

Schrijft u alstublieft reacties in het onderstaande blok. Deel interessante informatie en nuttige aanbevelingen, en voeg thematische foto's toe. Misschien wilt u vertellen hoe u met uw eigen handen een werkende waterkrachtcentrale op een landelijk terrein hebt gebouwd? We zijn blij om uw verhaal over het bouw- en gebruiksproces te lezen.