Centrale idroelettrica fai da te: come costruire una minicentrale idroelettrica autonoma

La forza del flusso d'acqua è una risorsa naturale rinnovabile che consente di ottenere energia elettrica praticamente gratuita.L'energia donata dalla natura offrirà l'opportunità di risparmiare sulle utenze e risolvere il problema della ricarica delle apparecchiature.

Se vicino a casa tua scorre un ruscello o un fiume, vale la pena approfittarne. Saranno in grado di fornire elettricità al sito e alla casa. E se costruisci una centrale idroelettrica con le tue mani, l'effetto economico aumenta in modo significativo.

L'articolo presentato descrive in dettaglio le tecnologie di produzione delle strutture idrauliche private. Abbiamo parlato di ciò che è necessario per configurare il sistema e collegarlo ai consumatori. Qui imparerai tutte le opzioni per i fornitori di energia in miniatura assemblati da materiali di scarto.

Centrali idroelettriche per scopi non industriali

Le centrali idroelettriche sono strutture in grado di convertire l'energia del movimento dell'acqua in energia elettrica. Fornitori alternativi di energia verde finora vengono sfruttati attivamente solo in Occidente. Nel nostro Paese questo promettente settore sta muovendo solo i primi timidi passi.

Piccole centrali idroelettriche private possono essere dighe su grandi fiumi, che generano da dieci a diverse centinaia di megawatt, o mini centrali idroelettriche con una potenza massima di 100 kW, che è abbastanza per le esigenze di una casa privata. Scopriamo di più su quest’ultimo.

Stazione ghirlanda con viti idrauliche

La struttura è costituita da una catena di rotori fissati ad un cavo d'acciaio flessibile teso attraverso il fiume. Il cavo stesso svolge il ruolo di albero di rotazione, un'estremità del quale è fissata sul cuscinetto di supporto e l'altra attiva l'albero del generatore.

Ciascun rotore idraulico della “ghirlanda” è in grado di generare circa 2 kW di energia, tuttavia, la velocità del flusso dell'acqua per questo deve essere di almeno 2,5 metri al secondo e la profondità del serbatoio non deve superare 1,5 m.

Il principio di funzionamento di una centrale idroelettrica a ghirlanda è semplice: la pressione dell'acqua fa girare le viti idrauliche, che fanno ruotare il cavo e costringono il generatore a produrre energia

Le stazioni ghirlanda furono utilizzate con successo a metà del secolo scorso, ma il ruolo delle eliche fu poi svolto da eliche fatte in casa e persino da barattoli di latta. Oggi i produttori offrono diversi tipi di rotori per varie condizioni operative.

Sono dotati di pale di diverse dimensioni, realizzate in lamiera, e consentono di ottenere la massima efficienza dal funzionamento della stazione.

Ma sebbene questo idrogeneratore sia abbastanza semplice da produrre, il suo funzionamento richiede una serie di condizioni speciali che non sono sempre realizzabili nella vita reale. Tali strutture bloccano il letto del fiume ed è improbabile che i tuoi vicini lungo la riva, per non parlare dei rappresentanti dei servizi ambientali, ti permettano di utilizzare l'energia del flusso per i tuoi scopi.

Inoltre, in inverno, l'installazione può essere utilizzata solo su serbatoi non ghiacciati e in climi rigidi può essere preservata o smantellata. Pertanto, le stazioni delle ghirlande vengono erette temporaneamente e principalmente in zone deserte (ad esempio in prossimità dei pascoli estivi).

Le stazioni rotanti con una capacità da 1 a 15 kW/ora generano fino a 9,3 MW al mese e consentono di risolvere autonomamente il problema dell'elettrificazione nelle regioni lontane dalle autostrade centralizzate

Un analogo moderno dell'installazione a ghirlanda sono le stazioni a telaio sommergibili o galleggianti con rotori trasversali. A differenza del loro predecessore a ghirlanda, queste strutture non bloccano l'intero fiume, ma utilizzano solo una parte del letto del fiume e possono essere installate su un pontone/zattera o addirittura abbassate sul fondo del bacino.

Rotore Daria verticale

Il rotore Darrieus è un dispositivo a turbina che prende il nome dal suo inventore nel 1931. Il sistema è costituito da diverse pale aerodinamiche fissate su travi radiali e funziona mediante pressione differenziale utilizzando il principio dell'"ala di sollevamento", ampiamente utilizzato nella costruzione navale e nell'aviazione.

Sebbene tali installazioni siano utilizzate principalmente per creare generatori eolici, possono funzionare anche con l'acqua. Ma in questo caso sono necessari calcoli precisi per selezionare lo spessore e la larghezza delle pale in base alla forza del flusso d'acqua.

Il rotore Daria assomiglia a un "mulino a vento", installato solo sott'acqua, e può funzionare indipendentemente dalle fluttuazioni stagionali della velocità del flusso

I rotori verticali vengono utilizzati raramente per creare centrali idroelettriche locali. Nonostante i buoni indicatori di efficienza e l'apparente semplicità del design, l'apparecchiatura è piuttosto complessa da utilizzare.

Prima di iniziare i lavori, il sistema deve essere “avviato”, ma solo il congelamento del serbatoio può fermare la stazione in funzione. Pertanto, il rotore Darrieus viene utilizzato principalmente nelle imprese industriali.

Una soluzione interessante nel campo della progettazione di piccole centrali idroelettriche con turbina a funzionamento verticale è stata proposta dall'inventore austriaco Franz Zotleterer:

Un vantaggio significativo delle stazioni idromassaggio è giustamente considerato la conservazione delle risorse ittiche. Il funzionamento di una turbina verticale non danneggia gli organismi viventi del fiume. Inoltre, il fango non indugia sulle pareti delle strutture grazie al movimento specifico del flusso d'acqua.

Elica a vite subacquea

In realtà, questo è il mulino a vento ad aria più semplice, solo che è installato sott'acqua. Le dimensioni delle pale, per garantire la massima velocità di rotazione e la minima resistenza, sono calcolate in funzione della forza del flusso.Ad esempio, se la velocità attuale non supera i 2 m/sec, la larghezza della lama dovrebbe essere compresa tra 2 e 3 cm.

Un'elica subacquea è facile da realizzare con le tue mani, ma è adatta solo per fiumi profondi e veloci: in uno specchio d'acqua poco profondo, le pale rotanti possono causare lesioni a pescatori, nuotatori, uccelli acquatici e animali

Un tale mulino a vento è installato "verso" il flusso, ma le sue pale non funzionano a causa della pressione dell'acqua, ma a causa della generazione di forza di sollevamento (secondo il principio dell'ala di un aereo o dell'elica di una nave).

Ruota idraulica con pale

Una ruota idraulica è una delle versioni più semplici di un motore idraulico, conosciuta fin dai tempi dell'Impero Romano. L'efficienza del suo funzionamento dipende in gran parte dal tipo di sorgente su cui è installato.

La ruota di colata può ruotare solo grazie alla velocità del flusso, e la ruota di riempimento può ruotare solo con l'aiuto della pressione e del peso dell'acqua che cade dall'alto sulle pale

A seconda della profondità e del letto del corso d'acqua si possono installare diversi tipi di ruote:

• Sugo (o fondo) – adatto a fiumi poco profondi con correnti veloci.
• Di medio raggio – sono situati in canali con cascate naturali in modo che il flusso cada all'incirca al centro del tamburo rotante.
• Liquido (o sopraelevato) – sono installati sotto una diga, un tubo o sul fondo di una rapida naturale in modo che l'acqua che cade continui il suo percorso sopra la ruota.

Ma il principio di funzionamento per tutte le opzioni è lo stesso: l'acqua cade sulle pale e aziona una ruota, che fa ruotare il generatore della minicentrale elettrica.

I produttori di apparecchiature idrauliche offrono turbine già pronte, le cui pale sono appositamente adattate a una certa velocità del flusso d'acqua.Ma gli artigiani domestici realizzano le strutture dei tamburi alla vecchia maniera, con materiali di scarto.

La seguente selezione di foto ti aiuterà a conoscere le fasi di costruzione della versione più semplice di una mini centrale idroelettrica:

Forse la mancanza di ottimizzazione influirà sugli indicatori di efficienza, ma il costo delle apparecchiature fatte in casa sarà molte volte più economico di un analogo acquistato. Pertanto, una ruota idraulica è l'opzione più popolare per organizzare la propria mini centrale idroelettrica.

Condizioni per l'installazione di una centrale idroelettrica

Nonostante l'allettante convenienza dell'energia generata da un generatore idroelettrico, è importante tenere conto delle caratteristiche della fonte d'acqua di cui si intende utilizzare le risorse per le proprie esigenze.

Dopotutto non tutti i corsi d'acqua sono adatti al funzionamento di una minicentrale idroelettrica, soprattutto tutto l'anno, quindi non fa male avere di riserva la possibilità di allacciarsi ad una linea principale centralizzata.

Alcuni pro e contro

I principali vantaggi di una singola centrale idroelettrica sono evidenti: apparecchiature economiche che generano elettricità a basso costo e inoltre non danneggiano la natura (a differenza delle dighe che bloccano il flusso di un fiume). Sebbene il sistema non possa essere definito assolutamente sicuro, gli elementi rotanti delle turbine possono comunque causare lesioni agli abitanti del mondo sottomarino e persino alle persone.

Per evitare incidenti, la centrale idroelettrica deve essere recintata e, se l'impianto è completamente nascosto dall'acqua, sulla riva deve essere installato un cartello di segnalazione

Vantaggi delle centrali mini-idroelettriche:

1. A differenza di altre fonti di energia “gratuite” (pannelli solari, generatori eolici), i sistemi idraulici possono funzionare indipendentemente dall’ora del giorno e dalle condizioni atmosferiche. L'unica cosa che può fermarli è il congelamento del serbatoio.
2. Per installare un idrogeneratore non è necessario disporre di un grande fiume: le stesse ruote idrauliche possono essere utilizzate con successo anche in corsi d'acqua piccoli (ma veloci!).
3. Le unità non emettono sostanze nocive, non inquinano l'acqua e funzionano quasi silenziosamente.
4. Per installare una minicentrale idroelettrica con una potenza fino a 100 kW non è necessario ottenere permessi (anche se tutto dipende dalle autorità locali e dal tipo di installazione).
5. L'elettricità in eccesso può essere venduta alle case vicine.

Per quanto riguarda gli svantaggi, una corrente insufficiente può diventare un serio ostacolo al funzionamento produttivo dell'apparecchiatura. In questo caso sarà necessario costruire strutture ausiliarie, il che comporta costi aggiuntivi.

Se l'energia potenziale di un fiume vicino, sulla base di un calcolo approssimativo, non è sufficiente per generare elettricità in un volume sufficiente per l'uso pratico, vale la pena prestare attenzione metodi di costruzione dei generatori eolici. Un mulino a vento servirà come aggiunta efficace.

Misurazione della forza del flusso d'acqua

La prima cosa che devi fare per pensare al tipo e al metodo di installazione della stazione è misurare la velocità del flusso d'acqua presso la tua fonte preferita.

Il modo più semplice è calare qualsiasi oggetto leggero (ad esempio una pallina da tennis, un pezzo di plastica espansa o un galleggiante da pesca) sulle rapide e utilizzare un cronometro per misurare il tempo impiegato per percorrere a nuoto la distanza fino a un punto di riferimento. . La distanza standard per la “nuotata” è di 10 metri.

Se il serbatoio si trova lontano dalla casa, è possibile costruire un canale o una tubazione di deviazione e allo stesso tempo eliminare i dislivelli

Ora devi dividere la distanza percorsa in metri per il numero di secondi: questa sarà la velocità della corrente.Ma se il valore risultante sarà inferiore a 1 m/sec, sarà necessario erigere strutture artificiali per accelerare il flusso a causa dei cambiamenti di quota.

Questo può essere fatto con l'aiuto di una diga pieghevole o di un tubo di drenaggio stretto. Ma senza una buona portata l’idea di una centrale idroelettrica dovrà essere abbandonata.

Produzione di una centrale idroelettrica basata su una ruota idraulica

Naturalmente, assemblare ed erigere un colosso progettato per servire un'impresa o un insediamento anche di una dozzina di case è un'idea del regno della fantascienza. Ma costruire una mini-centrale idroelettrica con le proprie mani per risparmiare elettricità è del tutto possibile. Inoltre, puoi utilizzare sia componenti già pronti che materiali improvvisati.

Pertanto, considereremo passo dopo passo la produzione della struttura più semplice: una ruota idraulica.

Materiali e strumenti richiesti

Per realizzare una mini centrale idroelettrica con le tue mani, devi preparare una saldatrice, una smerigliatrice angolare, un trapano e una serie di strumenti ausiliari: un martello, un cacciavite, un righello.

Materiali di cui avrai bisogno:

• Angoli e lamiere con spessore minimo di 5 mm.
• Tubi in PVC o acciaio zincato per la realizzazione delle lame.
• Generatore (puoi usarne uno già pronto o crearlo tu stesso, come in questo esempio).
• Dischi freno.
• Albero e cuscinetti.
• Compensato.
• Resina polistirenica per la fusione del rotore e dello statore.
• Filo di rame da 15 mm per un generatore fatto in casa.
• Magneti al neodimio.

Tieni presente che la struttura della ruota sarà costantemente in contatto con l'acqua, quindi gli elementi in metallo e legno devono essere selezionati con protezione dall'umidità (o occuparsi tu stesso dell'impregnazione e della verniciatura). Idealmente, il compensato può essere sostituito con la plastica, ma le parti in legno sono più facili da ottenere e modellare nella forma desiderata.

Assemblaggio ruote e produzione ugelli

La base per la ruota stessa può essere costituita da due dischi di acciaio dello stesso diametro (se è possibile estrarre il tamburo d'acciaio dal cavo - fantastico, questo accelererà notevolmente il processo di assemblaggio).

Ma se i materiali a portata di mano non contengono metallo, puoi tagliare cerchi da compensato impermeabile, sebbene la resistenza e la durata anche del legno trattato non possano essere paragonate all'acciaio. Quindi è necessario praticare un foro rotondo su uno dei dischi per l'installazione del generatore.

Successivamente vengono realizzate le lame e saranno necessari almeno 16 pezzi. Per fare questo, i tubi zincati vengono tagliati longitudinalmente in due o quattro parti (a seconda del diametro). Successivamente le zone di taglio e la superficie delle lame stesse devono essere lucidate per ridurre la perdita di energia dovuta all'attrito.

Le pale sono installate con un angolo di circa 40-45 gradi: ciò contribuirà ad aumentare la superficie che sarà interessata dalla forza del flusso

La distanza tra i due dischi laterali dovrebbe essere il più vicino possibile alla lunghezza delle lame. Per contrassegnare la posizione dei futuri mozzi, si consiglia di realizzare un modello in compensato, che segnerà la posizione di ciascuna parte e il foro per il fissaggio della ruota al generatore. I contrassegni finiti possono essere attaccati all'esterno di uno dei dischi.

I cerchi vengono quindi installati parallelamente tra loro utilizzando barre filettate massicce e le lame vengono saldate o imbullonate nelle posizioni desiderate. Il tamburo ruoterà su cuscinetti e come supporto viene utilizzato un telaio costituito da angolari o tubi di piccolo diametro.

A questo punto l'assemblaggio del tamburo può considerarsi completo; non resta che dotarlo di un generatore fatto in casa e di un ugello che diriga il flusso dell'acqua

L'ugello è progettato per fonti d'acqua a cascata: tale installazione consentirà di utilizzare al massimo l'energia del flusso. Questo elemento ausiliario è realizzato piegando la lamiera, seguita dalla saldatura delle giunture e quindi montato su un tubo.

Tuttavia, se nella tua zona c'è un fiume piatto senza rapide o altri ostacoli ad alta quota, questo dettaglio non è necessario.

È importante che la larghezza dell'uscita dell'ugello corrisponda alla larghezza della ruota stessa, altrimenti parte del flusso andrà “a vuoto” e non raggiungerà le pale

Ora la ruota deve essere montata sull'asse e montata su un supporto costituito da angoli saldati o imbullonati. Non resta che realizzare un generatore (o installarne uno già pronto) e puoi andare al fiume.

Generatore fai da te

Per realizzare un generatore fatto in casa, devi avvolgere e riempire lo statore, per il quale avrai bisogno di bobine con 125 giri di filo di rame su ciascuna. Dopo averli collegati, l'intera struttura viene riempita con resina poliestere.

Ogni fase è composta da tre matassine fissate in serie, quindi il collegamento può essere effettuato a forma di stella o triangolo con più conduttori esterni

Ora devi preparare una sagoma di compensato che corrisponda alla dimensione del disco del freno.

Sull'anello di legno vengono realizzate delle marcature e vengono realizzate delle fessure per l'installazione dei magneti (in questo caso sono stati utilizzati magneti al neodimio di 1,3 cm di spessore, 2,5 cm di larghezza e 5 cm di lunghezza). Quindi anche il rotore risultante viene riempito di resina e, dopo l'essiccazione, viene fissato al tamburo della ruota.

Ruota idraulica con rotore costituito da dischi freno e generatore costituito da bobine di filo di rame - verniciata, presentabile e pronta per l'uso

L'ultima cosa da installare è un involucro di alluminio con un amperometro che copre i raddrizzatori. Il compito di questi elementi è convertire la corrente trifase in corrente continua.

Dopo aver installato la ruota nel corso di un piccolo fiume con tubo a cascata o di scarico, puoi contare su una mini centrale idroelettrica dalle prestazioni di 1,9 A * 12 V a 110 giri al minuto

Per evitare che foglie, sabbia ed altri detriti portati con il flusso entrino nella ruota, si consiglia di posizionare una rete protettiva davanti all'apparecchio.

Puoi anche sperimentare gli spazi tra i magneti e le bobine con un numero maggiore di giri per aumentare l'efficienza della stazione idraulica.

Su tutti i tipi risorse di energia alternativa Lo scoprirete leggendo l'articolo dedicato all'introduzione delle “tecnologie verdi” nella vita di tutti i giorni.

Conclusioni e video utile sull'argomento

Video n.1. Un esempio di impianto idraulico funzionante con un generatore fatto in casa basato su un motore trifase:

Video n.2. Minicentrale idroelettrica, progettata secondo il principio di una ruota idraulica:

Video n.3. Una stazione basata su una ruota di bicicletta è un'opzione interessante per risolvere il problema dell'approvvigionamento energetico in vacanza lontano dalla civiltà:

Come puoi vedere, costruire una mini-centrale elettrica con le tue mani non è così difficile. Ma poiché la maggior parte dei calcoli e dei parametri dei suoi componenti sono determinati “a occhio”, dovresti essere preparato a possibili guasti e costi associati.

Se avverti una mancanza di conoscenza ed esperienza in questo settore, dovresti affidarti a specialisti che eseguiranno tutti i calcoli necessari, consiglieranno l'attrezzatura ottimale per il tuo caso e la installeranno in modo efficiente.

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