Vízerőmű saját kezűleg: hogyan építsünk autonóm mini vízerőművet

A vízáramlás ereje megújuló természeti erőforrás, amellyel szinte ingyenes áramot lehet termelni. A természet adta energia lehetővé teszi a rezsiszámlák csökkentését és a készülékek töltésének megoldását.

Ha a háza mellett patak vagy folyó folyik, érdemes kihasználni. Ezek képesek ellátni a telket és a házat villamos energiával. Ha pedig házilag épített vízerőművet alkalmazunk, a gazdasági haszon megsokszorozódik.

A jelen cikk részletesen ismerteti a magán vízépítési művek készítési technológiáit. Elmagyaráztuk, mire van szükség a rendszer kiépítéséhez és a fogyasztókra történő csatlakoztatásához. Nálunk megismerheti az összes, hétköznapi anyagokból összeállítható miniatűr energiatermelő megoldást.

Nem ipari célú vízerőművek

A vízerőművek olyan létesítmények, amelyek a víz mozgási energiáját villamos energiává alakítják. Alternatív “zöld” energiaszolgáltatók egyelőre csag Nyugaton használatosak aktívan. Hazánkban ez az ígéretes ágazat még csag az első bátortalan lééseit teszi meg.

A kis magán vízerőművek lehetnek nagy folyókon épült duzzasztóművek, melyek tíztől több száz megawattig terjedő teljesítményt állítanak elő, illetve mini vízerőművek legfeljebb 100 kW teljesítménnyel, ami bőven fedez egy családi ház energiaszükségletét. Most ez utóbbiakat vizsgáljuk meg részletesebben.

Füzér rendszerű erőmű vízcsavarokkal

A szerkezet egy láncba rendezett rotorokból áll, amelyeket egy, a folyón keresztül kifeszített rugalmas acélsodronyra rögzítenek. Maga a sodrony forgótengelyként szolgál, amelynek egyik vége egy csapágyban van rögzítve, a másik pedig a generátor tengelyét hajtja.

A „füzér” minden egyes hidrorotorja körülbelül 2 kW energiát képes termelni, igaz, ehhez a víz áramlási sebességének legalább 2,5 méter per másodpercnek kell lennie, a vízmélység pedig nem haladhatja meg az 1,5 métert.

A füzér erőmű működési elve egyszerű: a víznyomás megpörgeti a hidrocsavarokat, azok pedig forgatják a kábelt és késztetik a generátort energia termelésére.

A füzér állomásokat sikeresen használták már a múlt század közepén, de akkor a csavarok szerepét házi készítésű propellerek és még konzervdobozok is betöltötték. Ma a gyártók többféle rotort kínálnak különböző üzemeltetési feltételekhez.

Ezek különböző méretű, lemezfémből készült lapátokkal vannak felszerelve, és lehetővé teszik az állomás maximális hatásfokának elérését.

Bár ez a hidrogenerátor gyártása meglehetősen egyszerű, üzemeltetése számos speiciális feltételt igényel, ameleyek a való életben nem mindig teljesíthetők. Az ilyen építmények elzárják a folyó medrét, és aligha fogják a partii somszédok – nem is beszélve a környezetvédelmi hivatalok képviselőiről – megengedni, hogy az áramlás energiáját az Ön céljaira használja.

Ezenkívül télen a berendezést csak nem fagyó víztesteken használható, zord éghajlat esetén pedig konzerválni vagy szétszerelni kell. Ezért a füzér állomásokat ideiglenesen és többnyire lakatlan területeken építik (például nyári legelők közelében).

Az 1⁻15 kW/óra teljesítményű rotoros állomások havonta akár 9,3 MW-ot termelnek, és lehetővé teszik a villamosítás problémájának önálló megoldását a központi hálózatoktól távol eső régiókban.

A füźérberendezéś modern megfelelője a merülő vagy úszó keretes állomások keresztirányú rotorokkal. Ellentétben füzéres elődjével, ezek a szerkezetek nem zárják el az egész folyót, hanem csak a meder egy részét használják ki, és felszerelhetők pontonra/tutajra, vagy akár a víz fenekére is süllyeszthetők.

Függőleges Darrieus-rotor

A Darrieus-rotor egy turbinaberendezéś, amelyet feltalálójáról neveztek el 1931-ben. A rendszer több, sugárirányú gerendákra rögzített aerodinamikai lapátból áll, és a nyomáskülönbség révén működik az „emelőszárny” elve alapján, amelyet széles körben alkalmazonak a hajóépítésben és a repülésben.

Bár az ilyen berendezéseket főként szélgenerátorok készítésére használják, vízzel is működhetnek. De ebbe esetben pontos számításokra van szükség a lapátok vastagságának és széleségének a vízáramlás erejéhez való igazításához.

A Darrieus-rotor egy „szélmalomra” emlékeztet, csak éppen víz alá helyezve, és az áramlási sebesség évszakos ingadozásaitól függetlenül működhet.

A helyi vízerőművek létrehozásához ritkán használnak függőleges rotorokat. A jó hatásfok és a szerkezet látszólagos egyszerűsége ellenére a berendezéś meglehetősen bonyolult üzemeltetni.

A munka megkezdése előtt a rendszert „fel kell pörgetni”, viszont az elindított állomást csak a víztest megfagyása tudja megállítani. Ezért a Darrieus-rotort főleg ipari vállalatoknál használják.

Az osztrák feltaláló, Franz Zotlöterer egy érdekes megoldást javasolt a függőlegesen működő turbinával rendelkező kis vízerőművek terezésének területén:

A vízörvény-erőművek egyik nyomós előnyének joggal tartják a halállomány megőrzését. A függőleges turbina működése nem károsítja a folyó élőlényeit. Továbbá a szerkezetek falain nem marad meg az iszap a víz sajátos áramlásának köszönhetően.

Víz alatti propeler

Lényegét tekintve ez a legégszerűbb légi szélkerék, csakhogy a víz alá helyzik. A lapátok méretét a maximális forgási sebeség és a minimális ellenállás eléréséhez az áramlás erősége alapján számítják ki. Például, ha az áramlási sebeség nem haladja meg a 2 m/s-ot, a lapát szélességének 2–3 cm közötti határok között kell lennie.

A víz alatti propeller könnyen elkészíthető saját kezűleg, de csak gyors és mély folyókhoz alkalmas – sekély vízben a foró lapátok sérülést okozhatnak a halászoknak, fürdőzöknek, vízimadaraknak és állatoknak.

Az ilyen szélmalmot az áramlással szemben szerelik, de a lapátjai nem a víznyomás által, hanem a felhajtóerő létrejötte miatt működnek (repülőgép szárnyának vagy hajócsavar elve szerint).

Vízikerék lapátokkal

A vízikerék a hidraulikus motor egyik legegszerűbb változata, amelyet már a Római Birodalom óta ismerünk. Működési hatékonysága nagyban függ attól a forrástípustól, ahol felállítják.

Az alulcsapó kerék csak az áramlás sebességének köszönhetően foroghat, míg a felülcsapó kerék a felülről a lapátokra hulló víz nyomásának és súlyának segítségével működik.

A vízfolyás mélységétől és medrének formájától függően különböző keréktípusok telepíthetők:

• Alulcsapó (vagy alsó ütésű) – sekély vizű, gyors áramlású folyókhoz alkalmas.
• Középső ütésű – természetes kaszkádokkal rendelkező medrekben helyezik el, hogy az áramlás megközelítőleg a foró dob közepére érkezzen.
• Felsőcsapású (vagy felülcsapású) kerekek – gát, cső alá vagy természetes zuhatag alsó részébe szerelik, hogy a lezúduló víz a kerék tetején keresztül folytassa útját.

De a működési elv mindegyik váltózatnál ugyanaz: a víz a lapátokra kerül, és mozgásba hozza a kereket, amely a mini vízerőmű generátorát forgatja.

A vízenergia-berendezések gyártói kész turbinákat kínálnak, ameleyk lapátjait kifejezetten egy adott vízáramlási sebességhez igazították. A házi barkácsolók azonban a régi módszerrel – hozzáférhető anyagokból – készítenek dobos szerkezeteket.

A mini vízerőmű legegyszerűbb változata építésének lépéseit az alábbi fotóválogatás segíti bemutatni:

Lehetszéges, hogy az optimalizálás hiánya befolyásolja a hatásfokot, de a házilag készített berendezés önköltsége többszörösen olcsóbb lesz, mint a vásárolt analóg. Ezért a vízikerék a legnépszerűbb megoldás a saját mini vízerőmű kialakításához.

A vízerőmű telepítésének feltételei

A vízgenerátor által termelt energia csábító olcsósága ellenére fontos figyelembe venni a vízforrás sajátosságait, amelyek erőforrásait Ön a saját szükségleteire kívánja felhasználni.

Hiszen nem minden vízfolyás alkalmas mini-vízierőmű üzemeltetésére, különösen egész éves üzemelésre, ezért nem árt tartalékként rendelkezni a központi hálózatra való csatlakozás lehetőségével.

Néhány érv mellette és ellene

Az egyéni vízerőmű fő előnyei nyilvánvalóak: olcsó berendezés, amely olcsó áramot termel, ráadásul nem károsítja a természetet (ellentétben a folyó medrét elzáró gátakkal). Bár a rendszer nem nevezhető teljesen biztonságosnak – a turbinák forgó alkatrészei ugyanis sérüléseket okozhatnak a víz alatti világ lakóinak, sőt az embereknek is.

A balesetek megelőzése érdekében a vízerőművet be kell keríteni, és ha a rendszer teljesen víz alatt van, a parton figyelmeztető táblát kell elhelyezni.

A mini-vízierőmű előnyei:

1. Ellentétben más „ingyenes” energiaforrásokkal (napelemekkel, szélgenerátorokkal), a hidrorendszerek az évszaktól és az időjárástól függetlenül működhetnek. Az egyetlen dolog, ami akadályozhatja őket, a víztest befagyása.
2. A hidrogenerátor felszereléséhez nem szükséges nagy folyó – ugyanazokat a vízkerekeket sikeresen lehet használni akár sekély (de gyors!) patakokban is.
3. A berendezések nem bocsátanak ki káros anyagokat, nem szennyezik a vizet, és gyakorlatilag hangtalanul működnek.
4. A 100 kW-ig terjedő teljesítményű mini-vízierőmű telepítéséhez nem kell engedélyezési dokumentációt intézni (bár ez a helyi hatóságoktól és a telepítés típusától függ).
5. A felesleges áramot el lehet adni a szomszédos házakba.

Ami a hátrányokat illeti – az áramlás elégtelen ereje komoly akadályt jelenthet a berendezés hatékony üzemeltetésében. Ebben az esetben segédszerkezeteket kell építeni, ami többletköltségekkel jár.

Ha a közeli folyó potenciális energiája hozzávetőleges számítás szerint nem elegendő a gyakorlati alkalmazáshoz szükséges mennyiségű áram előállításához, érdemes figyelmet fordítani a szélgenerátorok építési módjaira. A szélkerék hatékony kiegészítőként szolgál.

A vízáramlás erejének mérése

Az első dolog, amit meg kell tenni, hogy elgondolkodjunk az állomás típusán és telepítési módján, az a víz áramlási sebességének mérése a kiszemelt forráson.

A legegyszerűbb módszer: bármilyen könnyű tárgyat (például teniszlabdát, hungarocell darabot vagy horgász úszót) a sodrásba engedni, és stopperrel mérni, mennyi idő alatt úszik meg egy bizonyos távolságot valamely iránypontig. A „úszás” standard távja – 10 méter.

Ha a víztest messze van a háztól, lehetőség van elvezető csatorna vagy csővezeték építésére, és egyúttal gondoskodni a magasságkülönbségekről.

Most meg kell osztani a megtett távolságot méterben a másodpercek számával – ez lesz az áramlás sebessége. De ha a kapott érték kisebb 1 m/s-nál, akkor mesterséges építményeket kell emelni a magasságkülönbségekkel történő áramlásgyorsítás érdekében.

Ezt valóban meg lehet valósítani egy szétszerelhető gát vagy egy keskeny lefolyócső segítségével. De jó vízfolyás nélkül le kell mondani a vízerőmű ötletéről.

Vízerőmű készítése vízikerék alapján

Természetesen egy vállalkozás vagy akár csak egy tucat házból álló település kiszolgálására szánt óriási szerkezetet 'gányolásból' összerakni és felépíteni – fantázia birodalmába tartozó ötlet. De saját kezűleg megépíteni egy mini vízerőművet az árammegtakarítás érdekében – teljesen reális. Ráadásul felhasználhatók hozzá akár kész alkatrészek, akár kéznél lévő anyagok.

Ezért nézzük meg lépésről lépésre a legegyszerűbb szerkezet – a vízikerék – elkészítését.

Szükséges anyagok és szerszámok

Ahhoz, hogy saját kezűleg mini vízerőművet készítsünk, elő kell készíteni egy hegesztőkészüléket, egy sarokcsiszolót, egy fúrógépet és egy segédeszköz-készletet – kalapácsot, csavarhúzót, vonalzót.

Anyagokból szükség lesz:

• Acélszögek és legalább 5 mm vastagságú lemezfém.
• PVC-ből vagy horganyzott acélból készült csövek a lapátok készítéséhez.
• Generátor (használható készen vásárolt, vagy elkészíthető saját kezűleg, ahogy ebben a példában is).
• Féktárcsák.
• Tengely és csapágyak.
• Rétegelt lemez.
• Polisztirol gyanta a forgórész és állórész kiöntéséhez.
• 15 mm-es rézhuzal a házi készítésű generátorhoz.
• Neodímium mágnesek.

Vegye figyelembe, hogy a kerék szerkezete folyamatosan érintkezik a vízzel, ezért a fém- és fa elemeket nedvességvédelemmel kell ellátni (vagy gondoskodni kell saját impregnálásukról és festésükről). Ideális esetben a rétegelt lemez helyettesíthető műanyaggal, de a faelemeket könnyebb beszerezni és a kívánt formára alakítani.

A kerék összeszerelése és a fúvóka elkészítése

A kerék alapját képezheti két azonos átmérőjű acéltárcsa (ha van lehetőség beszerezni egy acél kábeldobot – remek, ez nagymértékben felgyorsítja az összeszerelési folyamatot).

De ha nem áll rendelkezésre fém a kéznél lévő anyagok között, akkor köröket lehet vágni vízálló rétegelt lemezből is, bár a kezelt fa szilárdsága és élettartama sem hasonlítható az acéléhoz. Ezután az egyik tárcsán kör alakú nyílást kell vágni a generátor beépítéséhez.

Ezt követően elkészítjük a lapátokat, amelyekből legalább 16 darabra lesz szükség. Ehhez a horganyzott csöveket hosszában két vagy négy részre vágjuk (átmérőtől függően). Ezután a vágási helyeket és magukat a lapátok felületét le kell csiszolni, hogy csökkentsük a súrlódásból adódó energiaveszteséget.

A lapátokat körülbelül 40-45 fokos szögben kell felszerelni – ez segít megnövelni azt a felületet, amelyre az áramlás ereje hat.

A két oldalsó tárcsa közötti távolságnak a lehető legközelebb kell lennie a lapátok hosszához. A jövőbeli agyak elhelyezésének kijelöléséhez ajánlott egy rétegelt lemezből készült sablont készíteni, amelyen feltüntetjük az egyes alkatrészek helyét és a kerék generátorhoz való rögzítéséhez szükséges lyukakat. A kész jelölést az egyik tárcsa külső oldalára lehet rögzíteni.

Azután a köröket egymással párhuzamosan állítják be tömör menetes rudak segítségével, a lapátokat pedig a megfelelő pozíciókban hegesztik vagy csavarokkal rögzítik. A dob csapágyakon fog forogni, támaszként pedig kis átmérőjű szögvasakból vagy csövekből álló keretet használnak.

Ezen a szakaszon a dob összeszerelése befejezettnek tekinthető, hátravan még a házi készítésű generátorral és a vízáramot irányító fúvókával való felszerelése.

A fúvóka kaszkád típusú vízforrásokhoz készült – ez a berendezés lehetővé teszi az áramlási energia maximális kihasználását. Ezt a segédelemet lemez fém hajlításával, majd a varratok hegesztésével készítik, és ezt követően egy csőre szerelik.

Azonban ha az Ön területén síkvidéki folyó folyik zuhatagok és más magassági akadályok nélkül, akkor erre az alkatrészre nincs szükség.

Fontos, hogy a fúvóka kimeneti nyílásának szélessége megegyezzen a kerék szélességével, különben az áramlás egy része 'üresjáratban' megy, nem éri el a lapátokat.

Most a kereket kell a tengelyre szerelni és a hegesztett vagy csavarokkal összekötött szögvasakból készült támaszra helyezni. Hátra van még a generátor elkészítése (vagy egy kész beépítése), és lehet menni a folyóhoz.

Generátor házilag

A házi készítésű generátor elkészítéséhez el kell készíteni a tekercselést és az állórész kiöntését, amihez szükség van olyan orsókra, amelyek mindegyikén 125 menetes rézhuzal található. Összekapcsolásuk után az egész szerkezetet poliésztergyantával öntik ki.

Minden fázis három sorosan csatlakoztatott tekercsből áll, ezért a csatlakoztatást csillag- vagy háromszög alakban is elkészíthetjük, több külső kivezetéssel.

Most elő kell készíteni egy rétegelt lemez sablont, amely méreteiben megegyezik a fék tárcsával.

A fa gyűrűn jelöléseket végeznek, és réseket készítenek a mágnesek elhelyezéséhez (ebben az esetben 1,3 cm vastag, 2,5 cm széles és 5 cm hosszú neodímium mágneseket használtak). Az így kapott rotort szintén gyantával öntik ki, majd a szárítás után – csatlakoztatják a kerék dobojához.

Fék tárcsákból készült rotorral és rézhuzal tekercsekből álló generátorral ellátott vízkerék – festett, reprezentatív és üzemkész.

Utolsóként az alumínium burkolatot szerelik fel az ampermérővel, amely eltakarja az egyenirányítókat. Ezeknek az elemeknek a feladata a háromfázisú áram egyenárammá alakítása.

Miután a kereket behelyezték egy kis patak áramlásába, amely kaszkáddal vagy elvezető csővel rendelkezik, számíthatunk a mini vízerőmű teljesítményére: 1,9A * 12V 110 fordulat/perc esetén.

Annak érdekében, hogy a kerékbe ne kerüljenek bele levelek, homok és egyéb, az áramlással hozott hulladékok, ajánlatos a berendezés elé védőhálót helyezni.

Kísérletezhet továbbá a mágnesek és a megnövelt menetszámú tekercsek közötti hézagokkal is, hogy növelje a vízerőmű hatásfokát.

A megújuló energiaforrások minden fajtájáról tájékozódhat, ha elolvassa a „zöld technológiák” háztartási bevezetéséről szóló cikket.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

1. videó: Működő vízerőmű példája házi készítésű generátorral, háromfázisú motor alapján:

2. videó: Vízikerék elvén megépített mini vízerőmű:

3. videó: Kerékpárkerék-alapú állomás – érdekes megoldás az energiaellátás problémájára a civilizációtól távoli pihenés során:

Amint láthatja, nem is olyan nehéz saját kezűleg megépíteni egy mini vízerőművet. Mivel azonban a legtöbb számítást és alkatrészparamétert „szemre” határozzák meg, számolni kell az esetleges meghibásodásokkal és a kapcsolódó költségekkel.

Ha hiányosnak érzi tudását vagy tapasztalatát ezen a területen, bízza szakemberekre, akik elvégzik a szükséges számításokat, javasolják az Ön esetére optimális berendezést, és minőségileg elvégzik a telepítést.

Kérjük, írja meg hozzászólását az alábbi mezőben. Osztozzon meg érdekes információkkal és hasznos tanácsokkal, hagyjon tematikus fényképeket. Esetleg elmesélné, hogyan épített saját kezűleg egy működő vízerőművet a vidéki telkén? Örömmel olvassuk a készülék felépítésének és üzemeltetésének történetét.