Получение электроэнергии от самодельной мобильной гидроэлектростанции

Эксперт по выживанию Марти Рэйни (Marty Raney) вместе со своей дочерью Мисти (Misty) и сыном Мэттом (Matt) посещает фермерское хозяйство на Аляске.

Поставив перед собой задачу улучшить энергетическую ситуацию, они создают безопасный и экологически устойчивый источник электроэнергии в виде самодельного мобильного гидроэлектрогенератора. Раньше владелец домохозяйства вынужденно использовал автомобильные батареи для электроэнергии и небезопасные соединения проводов.

На все работы семье Рэйни дается всего неделя.

Мне больше понравилось, как он и команда собрали водяное колесо для генерации электроэнергии. Дочь и сын занимаются другими делами, но также помогают отцу. Время идет... Рейни спешит завершить последние доработки на водяном колесе в надежде успешно генерировать хотя бы 7A электроэнергии для подачи на инвертор DC/AC. Пока мало что получается, т.к. редуктор установлен напрямую к валу водяного колеса, но выдает слабые токи 4A. Для дома этого будет мало.

Рейни решает отказаться от всего этого редуктора и поставить то, что называется соединительным регулируемым ремнем, который полностью обхватывает диаметр обода водяного колеса с деревянными лопастями. Всё что он пробовал до этого, увы не сработало. Но есть две вещи, которые он не пробовал: удлинить и расширить лопасти, чтобы захватить больше воды и в итоге создать больше мощности — фактически надеть ремень прямо на колесо и напрямую на генератор. Ранее система прямого привода брала энергию от колеса и превращала ее в электричество, но более крупное колесо позволит генерировать больше мощности, чем редуктор.

Далее сборка новой конструкции гидроколеса и ее запуск. Сын Мэтт с токовыми клещами замеряет поступаемый ток в электрощите дома. Ток постепенно увеличивается, уже 13, 14, 15, 16A. Эти лопасти в сочетании с новым ремнем — вот и все, что нужно! 16A тока. Водяное колесо позволяет генерировать достаточно энергии, чтобы обеспечить дом.

Теперь у владельца автономного хозяина дома есть работающая гидроэлектростанция на реке Литтл Суситна (Little Susitna River) на Аляске, которая поставляет необходимую ему электроэнергию, используя новую систему проводки в его бревенчатый домик — всего за 1300 долларов. Владелец Кевин очень рад за сбывшую мечту и благодарен за то, что они здесь выложились на полную. Это его сбывшаяся мечта. Теперь ему намного спокойнее, зная, что новая электрическая система стала намного безопаснее.

Какая система была установлена в самодельной мобильной гидроэлектростанции?

Колесо диаметром Ø1,5-2 м вращается медленно при скорости воды 1-2 м/с, частота вращения колеса будет примерно 10-30 об/мин. Автомобильный генератор требует ~1500-3000 об/мин для нормальной выдачи тока. При прямом подключении редуктора на вал — передаточное число оказалось недостаточным, ротор крутился слабо, ток всего 4А.

Учитывая, что ток до установки ременного привода составлял ~4 А, а после этого увеличился до 14-16 А, можно сделать вывод: напряжение, скорее всего 12 В (или 24 В).

То есть это низковольтный генератор, скорее всего от автомобиля на 12 В, но возможно тяжелой тракторной техники и дизельных грузовых автомобилей 24 В. Для зарядки аккумуляторов в таких системах почти всегда будут использоваться модифицированные автомобильные генераторы. Они выдают номинальное напряжение DC 14/28 В. Ток 14-16 A при напряжении DC 12 В составляет около 168-192 Вт, что вполне реально для небольшого водяного колеса.

Этого уже хватает для выдачи тока, хотя до номинала генератора 80 A далеко, а именно 14-16А. Генератор работает в нижней части своей характеристики. Этим можно подключить потребителей: светодиодное освещение, ноутбук, смартфоны, небольшой холодильник на 50 литров с потребляемой энергия 200 Вт/ч.

Что эффективно? Однозначно 24 В

• DC 12 В: ток 13–15 А. Потребуются очень толстые медные провода от генератора до дома, иначе тепловые потери потеряют до 20–30% энергии.
• DC 24 В: Ток 6–7,5 А при той же мощности. Потери в проводах будут в 4 раза ниже. Можно передавать энергию на расстояние более 50 метров. Эффективность системы выше.
• DC 48 В: Еще лучше по эффективности, но такие генераторы и контроллеры заряда стоят дороже и встречаются реже.

Скорее всего, они используют 12 В, самый распространенный и дешевый вариант для небольших проектов, но 24 В было бы технически лучше.

Почему редуктор на валу давал низкий ток, а ременная передача от всего колеса вызвала резкий скачок тока с 4 А до 15 А?

Это компромисс между скоростью и крутящим моментом.

Прямой монтаж колеса на редукторе (или без редуктора): генератор (особенно автомобильный) должен вращаться со скоростью 1000–3000 об/мин, чтобы выдавать номинальный ток. Водяное колесо вращается медленно — 10–50 об/мин. Редуктор с низким передаточным числом (например, 1:10) обеспечивал на выходе всего 100–500 об/мин.

Генератор «задыхался», крутящий момент (вращающая сила) был, но скорость оказалась недостаточной для выработки нормального напряжения. Следовательно, 4 A — это ток в режиме «генератор едва вращается».

Ременная передача от всего ведущего обода колеса Ø~1,5 м к ведомому генератору с редукторной коробкой Ø10 см дает огромное соотношение передачи от большого к малому. Передаточное число этого ремня составляет 1,5 м / 0,1 м = 15, т.е. скорость вращения вала генератора увеличивается в 15 раз!

Результат показывает: медленно вращающееся колесо (10 об/мин) и быстро вращающийся вал редуктора (150 об/мин), например с соотношением 1:10, обеспечивает выходную мощность 1500 об/мин для генератора. Этого достаточно, чтобы генератор вышел в рабочий режим и выдавал 14–16 А. Здесь выигрыш в скорости вращения генератора перекрыл всё.

Какой инвертор использовать?

Инвертор с запасом от 600 Вт, DC 12 В → AC ~220 В, по цене примерно $150. Имел чистую синусоиду на выходе переменного тока ~220 В, с DSP управлением и экраном LCD, с зарядом от АКБ на 30 A, с автомат защиты аккумулятора и коротких замыканий. Такой инвертор подходит для домохозяйств: котлов, циркуляционных насосов и бытовой электроники.