Centrale idroelettrica fai-da-te: come realizzare una mini centrale idroelettrica autonoma

La forza del flusso d'acqua è una risorsa naturale rinnovabile che consente di ottenere elettricità quasi gratuita. L'energia donata dalla natura offrirà la possibilità di risparmiare sulle utenze e di risolvere il problema della ricarica dei dispositivi.

Se vicino a casa vostra scorre un ruscello o un fiume, vale la pena utilizzarli. Possono fornire elettricità alla proprietà e alla casa. E se la centrale idroelettrica viene costruita fai da te, l'effetto economico aumenta di molte volte.

Nell'articolo presentato sono descritte in dettaglio le tecnologie per la realizzazione di impianti idraulici privati. Abbiamo parlato di ciò che serve per l'installazione del sistema e la sua connessione ai consumatori. Qui apprenderete tutte le opzioni di fornitori di energia in miniatura costruiti con materiali di recupero.

Centrali idroelettriche ad uso non industriale

Le centrali idroelettriche sono strutture in grado di convertire l'energia del movimento dell'acqua in elettricità. Fornitori alternativi di energia elettrica “verdi” per ora sono attivamente sfruttati solo in Occidente. Nel territorio del nostro Paese, questo settore promettente sta muovendo solo i primi timidi passi.

Le piccole centrali idroelettriche private possono essere dighe sui grandi fiumi che producono da dieci a diverse centinaia di megawatt, o mini centrali idroelettriche con una potenza massima di 100 kW, che sono più che sufficienti per le esigenze di una casa privata. Approfondiamo queste ultime.

Stazione a ghirlanda con viti idrauliche

La struttura consiste in una catena di rotori fissati su un cavo d'acciaio flessibile teso attraverso il fiume. Il cavo stesso funge da albero di rotazione, con un'estremità fissata su un cuscinetto di supporto e l'altra che aziona l'albero del generatore.

Ogni idrorotore della 'ghirlanda' è in grado di generare circa 2 kW di energia, ma per questo la velocità del flusso d'acqua deve essere di almeno 2,5 metri al secondo e la profondità del corpo idrico non deve superare 1,5 m.

Principio di funzionamento della centrale a ghirlanda: la pressione dell'acqua fa ruotare le idroviti, le quali a loro volta fanno girare il cavo e spingono il generatore a produrre energia.

Le centrali a ghirlanda venivano già utilizzate con successo a metà del secolo scorso, ma allora il ruolo delle eliche era svolto da eliche autocostruite e persino da lattine. Oggi i produttori offrono diversi tipi di rotori per varie condizioni operative.

Sono equipaggiati con pale di diverse dimensioni, realizzate in lamiera, e consentono di ottenere il massimo rendimento dal funzionamento della centrale.

Ma sebbene questo idrogeneratore sia abbastanza semplice da costruire, il suo funzionamento richiede una serie di condizioni speciali, non sempre realizzabili nella vita reale. Tali strutture ostruiscono il letto del fiume ed è improbabile che i vicini di sponda, per non parlare dei rappresentanti dei servizi ecologici, permettano di utilizzare l'energia del flusso per i propri scopi.

Inoltre, in inverno l'impianto può essere utilizzato solo su specchi d'acqua che non gelano, mentre in condizioni climatiche rigide deve essere conservato o smantellato. Pertanto, le centrali a ghirlanda vengono costruite temporaneamente e prevalentemente in zone deserte (ad esempio, vicino a pascoli estivi).

Le stazioni a rotore con potenza da 1 a 15 kW/h producono fino a 9,3 MW al mese e consentono di risolvere autonomamente il problema dell'elettrificazione nelle regioni lontane dalle reti centralizzate.

Un equivalente moderno dell'installazione a ghirlanda sono le stazioni a telaio sommerse o galleggianti con rotori trasversali. A differenza del loro predecessore a ghirlanda, queste strutture non ostruiscono l'intero fiume, ma sfruttano solo una parte del letto, e possono essere installate su un pontone o una zattera, oppure calate sul fondo del bacino.

Rotore Darrieus verticale

Il rotore Darrieus è un dispositivo di turbina che prende il nome dal suo inventore nel 1931. Il sistema è composto da diverse pale aerodinamiche fissate su travi radiali e funziona grazie alla differenza di pressione secondo il principio del 'profilo alare', ampiamente utilizzato nell'ingegneria navale e aeronautica.

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

Il rotore Darrieus ricorda un 'mulino a vento', ma installato sott'acqua, e può funzionare indipendentemente dalle variazioni stagionali della velocità del flusso.

Per la creazione di centrali idroelettriche locali, i rotori verticali sono usati raramente. Nonostante i buoni rendimenti e l'apparente semplicità costruttiva, l'attrezzatura è piuttosto complessa da gestire.

Prima di iniziare il funzionamento, il sistema deve essere 'avviato', ma l'arresto della stazione avviata può avvenire solo a causa del congelamento del bacino. Pertanto, il rotore Darrieus è utilizzato principalmente in ambito industriale.

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

Un grande vantaggio delle stazioni a vortice è giustamente considerato la conservazione delle risorse ittiche. Il funzionamento della turbina verticale non danneggia gli organismi viventi del fiume. Inoltre, sulle pareti delle strutture non si accumula melma a causa del movimento specifico del flusso d'acqua.

Elica a vite subacquea

In sostanza, è il più semplice aerogeneratore, ma installato sott'acqua. Le dimensioni delle pale, per garantire la massima velocità di rotazione e la minima resistenza, vengono calcolate in base alla forza della corrente. Ad esempio, se la velocità della corrente non supera i 2 m/s, la larghezza della pala deve essere compresa tra 2 e 3 cm.

Realizzare un'elica subacquea fai-da-te non è difficile, ma è adatta solo per fiumi profondi e veloci – in acque basse, le pale rotanti potrebbero ferire pescatori, bagnanti, uccelli acquatici e animali.

Tale turbina viene installata 'contro' la corrente, ma le sue pale non funzionano grazie alla pressione dell'acqua, bensì alla forza di portanza (secondo il principio dell'ala di un aereo o dell'elica di una nave).

Ruota idraulica a pale

La ruota idraulica è uno dei più semplici tipi di motore idraulico, noto fin dai tempi dell'Impero Romano. La sua efficienza dipende in gran parte dal tipo di corso d'acqua su cui è stata installata.

La ruota a fondo può ruotare solo grazie alla velocità della corrente, mentre la ruota a caduta superiore si basa sulla pressione e sul peso dell'acqua che cade dall'alto sulle pale.

A seconda della profondità e dell'alveo del corso d'acqua, è possibile installare diversi tipi di ruote:

• Ruote a fondo (o a colpo inferiore) – adatte per fiumi poco profondi con corrente veloce.
• Ruote a colpo medio – vengono posizionate in alvei con cascate naturali in modo che la corrente colpisca circa a metà del tamburo rotante.
• Ruote a caduta superiore (o a colpo superiore) – vengono installate sotto una diga, un tubo o nella parte inferiore di una soglia naturale, in modo che l'acqua che cade prosegua il suo percorso attraverso la sommità della ruota.

Ma il principio di funzionamento è lo stesso per tutte le varianti: l'acqua colpisce le pale e mette in moto la ruota, che a sua volta fa ruotare il generatore di una mini centrale elettrica.

I produttori di apparecchiature idrauliche offrono turbine già pronte, le cui pale sono appositamente adattate a una determinata velocità del flusso d'acqua. Tuttavia, gli artigiani domestici costruiscono strutture a tamburo alla vecchia maniera, con materiali di recupero.

La seguente galleria fotografica aiuterà a conoscere i passaggi per costruire la versione più semplice di una mini centrale idroelettrica:

È possibile che la mancanza di ottimizzazione incida sui rendimenti, ma il costo del dispositivo autocostruito sarà molto inferiore rispetto a un equivalente acquistato. Per questo la ruota idraulica è l'opzione più popolare per realizzare una propria mini centrale idroelettrica.

Condizioni per l'installazione di una centrale idroelettrica

Nonostante l'allettante economicità dell'energia prodotta da un idrogeneratore, è importante considerare le caratteristiche della fonte d'acqua di cui si intende sfruttare le risorse per le proprie esigenze.

Non tutti i corsi d'acqua sono adatti per una mini centrale idroelettrica, tanto meno per un uso tutto l'anno, quindi è bene avere in riserva la possibilità di allacciarsi alla rete centralizzata.

Alcuni «pro» e «contro»

I principali vantaggi di una centrale idroelettrica individuale sono evidenti: attrezzatura poco costosa che produce elettricità a buon mercato e non danneggia l'ambiente (a differenza delle dighe che bloccano il flusso del fiume). Tuttavia, il sistema non può essere considerato completamente sicuro: gli elementi rotanti delle turbine possono ferire gli abitanti del mondo subacqueo e persino le persone.

Per prevenire incidenti, la centrale idroelettrica deve essere recintata e, se il sistema è completamente sommerso dall'acqua, installare un cartello di avvertimento sulla riva.

Vantaggi della mini centrale idroelettrica:

1. A differenza di altre fonti energetiche «gratuite» (pannelli solari, generatori eolici), i sistemi idroelettrici possono funzionare indipendentemente dall'ora del giorno e dalle condizioni meteorologiche. L'unica cosa che può ostacolarli è il congelamento del bacino.
2. Per installare un idrogeneratore non è necessaria la presenza di un grande fiume: le stesse ruote idrauliche possono essere utilizzate con successo anche in ruscelli piccoli (ma veloci!).
3. Gli impianti non emettono sostanze nocive, non inquinano l'acqua e funzionano praticamente in silenzio.
4. Per l'installazione di una mini centrale idroelettrica con potenza fino a 100 kW non è necessario ottenere documenti autorizzativi (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 seria difficoltà per un funzionamento produttivo dell'attrezzatura può essere una forza di corrente insufficiente. In tal caso, sarà necessario costruire strutture ausiliarie, comportando costi aggiuntivi.

Se l'energia potenziale di un fiume vicino, secondo un calcolo approssimativo, non basterà per generare elettricità in quantità sufficiente per l'uso pratico, vale la pena considerare i metodi di costruzione di generatori eolici. Una turbina eolica servirà come efficace complemento.

Misurazione della forza del flusso d'acqua

La prima cosa da fare per considerare il tipo e il metodo di installazione della centrale è misurare la velocità del flusso d'acqua sulla fonte prescelta.

Il metodo più semplice è far galleggiare sulla corrente un oggetto leggero (ad esempio una pallina da tennis, un pezzo di polistirolo o un galleggiante da pesca) e cronometrare il tempo impiegato per percorrere la distanza fino a un punto di riferimento. La distanza standard per la 'prova' è di 10 metri.

Se il corso d'acqua è un po' lontano da casa, si può costruire un canale di derivazione o una tubatura, e al contempo provvedere ai dislivelli.

Ora bisogna dividere la distanza percorsa in metri per il numero di secondi – questa sarà la velocità della corrente. Ma se il valore ottenuto è inferiore a 1 m/s, sarà necessario costruire strutture artificiali per accelerare il flusso mediante dislivelli.

Ciò è realizzabile con una diga smontabile o un tubo di scarico stretto. Ma senza una buona corrente, l'idea della centrale idroelettrica dovrà essere abbandonata.

Realizzazione di una centrale idroelettrica basata su una ruota idraulica

Naturalmente, assemblare 'alla buona' e costruire una macchina destinata a servire un'industria o un villaggio anche di una decina di case è un'idea fantascientifica. Ma realizzare con le proprie mani una mini centrale idroelettrica per risparmiare elettricità è del tutto fattibile. Inoltre si possono utilizzare sia componenti già pronti che materiali di recupero.

Consideriamo quindi passo dopo passo la costruzione della struttura più semplice: la ruota idraulica.

Materiali e strumenti necessari

Per realizzare una mini centrale idroelettrica fai-da-te, è necessario preparare una saldatrice, una smerigliatrice, un trapano e un set di strumenti ausiliari: martello, cacciavite, righello.

I materiali necessari sono:

• Angolari e lamiera di spessore non inferiore a 5 mm.
• Tubi in PVC o acciaio zincato per la realizzazione delle pale.
• Generatore (si può usare uno già pronto acquistato o costruirlo da sé, come in questo esempio).
• Dischi freno.
• Albero e cuscinetti.
• Compensato.
• Resina polistirolo per il riempimento del rotore e dello statore.
• Filo di rame da 15 mm per il generatore autocostruito.
• Magneti al neodimio.

Si consideri che la struttura della ruota sarà costantemente a contatto con l'acqua, quindi è necessario scegliere elementi metallici e in legno con protezione dall'umidità (o provvedere autonomamente alla loro impregnazione e verniciatura). Idealmente, il compensato può essere sostituito con plastica, ma i pezzi in legno sono più facili da reperire e da modellare nella forma desiderata.

Montaggio della ruota e realizzazione dell'ugello

La base per la ruota stessa può essere costituita da due dischi in acciaio dello stesso diametro (se è possibile procurarsi un tamburo in acciaio per cavi – ottimo, accelererà notevolmente il processo di assemblaggio).

Ma se non si trova metallo tra i materiali disponibili, si possono ritagliare cerchi anche in compensato impermeabile, anche se la resistenza e la durata del legno, anche trattato, non sono paragonabili all'acciaio. Successivamente, su uno dei dischi è necessario ritagliare un foro circolare per l'installazione del generatore.

Successivamente si fabbricano le pale, e ne serviranno almeno 16. A tale scopo, i tubi zincati vengono tagliati longitudinalmente in due o quattro parti (a seconda del diametro). Quindi, i tagli e la superficie stessa delle pale devono essere levigati per ridurre le perdite di energia per attrito.

Le pale vengono installate con un'inclinazione di circa 40-45 gradi – questo aiuterà ad aumentare la superficie su cui agirà la forza del flusso.

La distanza tra i due dischi laterali deve essere il più possibile vicina alla lunghezza delle pale. Per segnare la posizione dei futuri mozzi, si consiglia di realizzare una sagoma in compensato sulla quale saranno indicate la posizione di ogni componente e i fori per il fissaggio della ruota al generatore. La sagoma completata può essere fissata sul lato esterno di uno dei dischi.

Quindi i cerchi vengono montati parallelamente tra loro mediante barre filettate, e le pale vengono saldate o fissate con bulloni nelle posizioni desiderate. Il tamburo ruoterà su cuscinetti, e come supporto viene utilizzato un telaio fatto di profilati angolari o tubi di piccolo diametro.

A questo punto, l'assemblaggio del tamburo può considerarsi completato; resta solo da dotarlo di un generatore fatto in casa e di un ugello che dirige il flusso d'acqua.

L'ugello è destinato a fonti d'acqua a cascata – tale installazione consentirà di sfruttare al massimo l'energia del flusso. Questo elemento ausiliario viene realizzato piegando lamiere e saldando le giunture, e poi viene montato su un tubo.

Tuttavia, se nella vostra zona scorre un fiume di pianura senza rapide o altri ostacoli altimetrici, non c'è necessità di questo componente.

È importante che la larghezza dell'apertura di uscita dell'ugello corrisponda alla larghezza della ruota stessa, altrimenti una parte del flusso andrà sprecata, non colpendo le pale.

Ora la ruota deve essere montata sull'asse e installata su un supporto costituito da profilati angolari saldati o imbullonati. Resta da costruire il generatore (o installarne uno già pronto) e si può partire per il fiume.

Generatore fai da te

Per realizzare un generatore fatto in casa, è necessario effettuare l'avvolgimento e la colata dello statore, per cui occorrono bobine con 125 spire ciascuna di filo di rame. Dopo averle collegate, l'intera struttura viene colata con resina poliestere.

Ogni fase è composta da tre matasse collegate in serie, quindi il collegamento può essere fatto a stella o a triangolo con diverse uscite esterne.

Ora è necessario preparare un modello di compensato delle stesse dimensioni del disco freno.

Su un anello di legno si esegue la marcatura e si praticano delle fessure per il posizionamento dei magneti (in questo caso sono stati utilizzati magneti al neodimio con spessore 1,3 cm, larghezza 2,5 cm e lunghezza 5 cm). Successivamente, anche il rotore così ottenuto viene colato con resina e, dopo l'essiccazione – viene collegato al tamburo della ruota.

Ruota idraulica con rotore realizzato da dischi freno e generatore composto da matasse di filo di rame – verniciata, presentabile e pronta all'uso.

Per ultimo viene montato un involucro in 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 flusso di un piccolo ruscello con una cascata o un tubo di derivazione, si può contare su una produttività della mini-centrale idroelettrica di 1,9 A * 12 V a 110 giri al minuto.

Per evitare che foglie, sabbia e altri detriti portati dalla corrente entrino nella ruota, è consigliabile installare una rete di protezione davanti al dispositivo.

Si può anche sperimentare con gli spazi tra i magneti e le bobine con un numero maggiore di spire per aumentare il rendimento della centrale idroelettrica.

Imparerete a conoscere tutti i tipi di fonti energetiche alternative leggendo l'articolo dedicato all'introduzione nella vita di tutti i giorni delle “tecnologie verdi”.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video n. 1. Esempio di impianto idroelettrico funzionante con generatore fatto in casa basato su motore trifase:

Video n. 2. Mini-centrale idroelettrica costruita secondo il principio della ruota idraulica:

Video n. 3. Centrale basata su una ruota di bicicletta – un'interessante soluzione al problema della fornitura energetica durante le vacanze lontano dalla civiltà:

Come vede, costruire una mini-centrale idroelettrica con le proprie mani non è poi così difficile. Ma poiché la maggior parte dei calcoli e dei parametri per i suoi componenti è determinata «a occhio», bisogna essere pronti a possibili guasti e relativi costi.

Se sente di non avere abbastanza conoscenze ed esperienza in questo campo, è meglio affidarsi a specialisti che effettueranno tutti i calcoli necessari, consiglieranno l'attrezzatura ottimale per il suo caso e ne eseguiranno un'installazione di qualità.

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