Hidrelétrica faça você mesmo: como construir uma mini usina hidrelétrica autônoma

A força do fluxo de água é um recurso natural renovável que permite obter eletricidade praticamente gratuita. A energia fornecida pela natureza permitirá economizar nas contas de serviços públicos e resolver o problema de recarregar aparelhos.

Se houver um riacho ou rio perto da sua casa, vale a pena aproveitá-lo. Ele poderá fornecer eletricidade para o terreno e para a casa. E se a hidrelétrica for construída por você mesmo, o efeito econômico aumenta várias vezes.

O artigo apresentado descreve detalhadamente as tecnologias de fabricação de estruturas hidrotécnicas particulares. Contamos o que é necessário para montar o sistema e conectá-lo aos consumidores. Aqui você conhecerá todas as opções de minigeradores de energia montados com materiais disponíveis.

Usinas hidrelétricas de uso não industrial

Usinas hidrelétricas são estruturas capazes de converter a energia do movimento da água em eletricidade. Fornecedores alternativos “verdes” de eletricidade ainda são ativamente explorados apenas no Ocidente. No território do nosso país, este setor promissor está apenas dando os primeiros passos tímidos.

Pequenas centrais hidrelétricas privadas podem ser barragens em grandes rios, gerando de dezenas a várias centenas de megawatts, ou mini centrais com potência máxima de 100 kW, o que é suficiente para as necessidades de uma casa particular. Vamos conhecer mais sobre estas últimas.

Estação em guirlanda com parafusos hidráulicos

A estrutura consiste em uma corrente de rotores fixados em um cabo de aço flexível esticado transversalmente ao rio. O próprio cabo atua como um eixo rotativo, uma extremidade é fixada em um rolamento de suporte e a outra aciona o eixo do gerador.

Cada hidrorotor da «guirlanda» pode gerar cerca de 2 kW de energia, embora a velocidade do fluxo de água para isso deva ser de pelo menos 2,5 metros por segundo, e a profundidade do reservatório não exceder 1,5 m.

O princípio de funcionamento de uma usina hidrelétrica em série é simples: a pressão da água gira as hélices hidráulicas, que por sua vez giram o cabo e fazem o gerador produzir energia.

As usinas em série foram utilizadas com sucesso ainda em meados do século passado, mas o papel das hélices era desempenhado por hélices caseiras e até latas de conserva. Hoje, porém, os fabricantes oferecem vários tipos de rotores para diferentes condições de operação.

Elas são equipadas com pás de diferentes tamanhos, feitas de chapa metálica, e permitem obter a máxima eficiência da usina.

Mas embora este hidrogerador seja bastante simples de fabricar, sua operação exige uma série de condições especiais, nem sempre viáveis na vida real. Tais estruturas bloqueiam o leito do rio, e dificilmente os vizinhos da margem, sem falar nos representantes dos serviços ambientais, permitirão usar a energia do fluxo para seus fins.

Além disso, no inverno, a instalação só pode ser utilizada em corpos d'água que não congelam, e em condições climáticas severas deve ser preservada ou desmontada. Portanto, as usinas em série são construídas temporariamente e principalmente em áreas despovoadas (por exemplo, perto de pastos de verão).

Usinas rotativas com potência de 1 a 15 kW/h geram até 9,3 MW por mês e permitem resolver de forma independente o problema de eletrificação em regiões distantes das redes centralizadas.

O análogo moderno da instalação em série são as estações submersíveis ou flutuantes de estrutura com rotores transversais. Ao contrário de sua antecessora em série, essas estruturas não bloqueiam todo o rio, mas utilizam apenas uma parte do leito, podendo ser instaladas em pontão/jangada ou até mesmo ser colocadas no fundo do corpo d'água.

Rotor vertical Darrieus

O rotor Darrieus é um dispositivo de turbina que recebeu o nome de seu inventor em 1931. O sistema consiste em várias pás aerodinâmicas fixadas em vigas radiais e funciona devido à diferença de pressão, seguindo o princípio da 'asa de sustentação', amplamente utilizado na construção naval e na aviação.

Embora tais instalações sejam mais utilizadas para a criação de geradores eólicos, elas também podem funcionar com água. Mas, neste caso, são necessários cálculos precisos para selecionar a espessura e a largura das pás de acordo com a força do fluxo de água.

O rotor Darrieus lembra um 'moinho de vento', só que instalado debaixo d'água, e pode funcionar independentemente das variações sazonais na velocidade do fluxo.

Para a criação de usinas hidrelétricas locais, os rotores verticais são raramente utilizados. Apesar dos bons índices de eficiência e da aparente simplicidade da construção, o equipamento é bastante complexo de operar.

Antes de iniciar o trabalho, o sistema precisa ser 'acelerado', mas parar a estação em funcionamento só será possível com o congelamento do corpo d'água. Portanto, o rotor Darrieus é utilizado principalmente em empresas industriais.

Uma solução interessante no campo do projeto de pequenas hidrelétricas com turbina de trabalho vertical foi proposta pelo inventor austríaco Franz Zotloeterer:

Uma grande vantagem das estações de redemoinho é considerada, com razão, a preservação dos recursos pesqueiros. O funcionamento da turbina vertical não prejudica os organismos vivos do rio. Além disso, não se acumula lodo nas paredes das estruturas devido ao movimento específico do fluxo de água.

Hélice subaquática de parafuso

Na prática, é o moinho de vento aéreo mais simples, mas instalado debaixo d'água. As dimensões das pás, para garantir a máxima velocidade de rotação e mínima resistência, são calculadas de acordo com a força do fluxo. Por exemplo, se a velocidade da corrente não exceder 2 m/s, a largura da pá deve estar entre 2-3 cm.

Não é difícil fazer um propulsor subaquático com as próprias mãos, mas ele só é adequado para rios profundos e rápidos – em um corpo d'água raso, as pás giratórias podem causar ferimentos a pescadores, banhistas, aves aquáticas e animais.

Esse moinho de vento é instalado 'contra' o fluxo, mas suas pás funcionam não pela pressão da água, mas pela geração de força de sustentação (pelo princípio da asa de avião ou hélice de navio).

Roda d'água com pás

A roda d'água é um dos tipos mais simples de motor hidráulico, conhecido desde a época do Império Romano. Sua eficiência depende em grande parte do tipo de fonte onde foi instalada.

A roda de alimentação inferior pode girar apenas devido à velocidade do fluxo, enquanto a roda de alimentação superior gira com a ajuda da pressão e do peso da água que cai sobre as pás.

Dependendo da profundidade e do leito do curso d'água, podem ser instalados diferentes tipos de rodas:

• Rodas de alimentação inferior (ou de ataque inferior) – adequadas para rios rasos de corrente rápida.
• Rodas de alimentação média – são posicionadas em leitos com cascatas naturais de modo que o fluxo atinja aproximadamente o meio do tambor rotativo.
• Rodas de alimentação superior (ou de topo) – são instaladas sob uma barragem, tubo ou na parte inferior de uma corredeira natural, para que a água em queda continue seu percurso pelo topo da roda.

Mas o princípio de funcionamento é o mesmo para todas as variantes: a água atinge as pás e aciona a roda, que faz girar o gerador da miniusina hidrelétrica.

Os fabricantes de equipamentos hidráulicos oferecem turbinas prontas, cujas pás são especialmente adaptadas para uma determinada velocidade do fluxo de água. Mas os artesãos caseiros fabricam estruturas de tambor à moda antiga – com materiais disponíveis.

A seguinte seleção de fotos ajudará a conhecer as etapas de construção da versão mais simples de uma miniusina hidrelétrica:

Talvez a falta de otimização afete os índices de eficiência, mas o custo do equipamento caseiro será várias vezes mais barato do que o equivalente comprado. Por isso, a roda d'água é a opção mais popular para organizar sua própria miniusina hidrelétrica.

Condições para instalar uma usina hidrelétrica

Apesar do atraente baixo custo da energia gerada pelo hidrogerador, é importante considerar as características da fonte de água cujos recursos você planeja utilizar para suas próprias necessidades.

Porque nem todo curso d'água é adequado para operar uma mini-hidrelétrica, especialmente durante o ano todo, portanto não custa ter em reserva a possibilidade de conexão a uma rede centralizada.

Alguns prós e contras

As principais vantagens de uma hidrelétrica individual são óbvias: equipamentos baratos que geram eletricidade barata e ainda não prejudicam a natureza (ao contrário de barragens que bloqueiam o fluxo do rio). Embora o sistema não possa ser considerado totalmente seguro – afinal, os elementos rotativos das turbinas podem causar ferimentos aos habitantes do mundo subaquático e até mesmo às pessoas.

Para prevenir acidentes, a hidrelétrica deve ser cercada e, se o sistema estiver completamente submerso, colocar uma placa de aviso na margem.

Vantagens da mini-hidrelétrica:

1. Ao contrário de outras fontes de energia 'gratuitas' (painéis solares, aerogeradores), os sistemas hidráulicos podem funcionar independentemente da hora do dia e do clima. A única coisa que pode atrapalhá-los é o congelamento do corpo d'água.
2. Para instalar um hidrogerador, não é necessária a presença de um grande rio – as mesmas rodas d'água podem ser usadas com sucesso até mesmo em riachos rasos (mas rápidos!).
3. As instalações não emitem substâncias nocivas, não poluem a água e funcionam praticamente sem ruído.
4. Para instalar uma mini-hidrelétrica com potência de até 100 kW, não é necessário obter documentação de licenciamento (embora tudo dependa das autoridades locais e do tipo de instalação).
5. O excesso de eletricidade pode ser vendido para casas vizinhas.

Quanto às desvantagens – um obstáculo sério para a operação produtiva do equipamento pode ser a força insuficiente da correnteza. Nesse caso, será necessário construir estruturas auxiliares, o que acarreta custos adicionais.

Se a energia potencial do rio próximo, em um cálculo aproximado, não for suficiente para gerar eletricidade em volume adequado para aplicação prática, vale a pena considerar os métodos de construção de aerogeradores. Um cata-vento servirá como um complemento eficaz.

Medição da força do fluxo de água

A primeira coisa a fazer ao considerar o tipo e o método de instalação da estação é medir a velocidade do fluxo de água na fonte escolhida.

A maneira mais simples é colocar na correnteza qualquer objeto leve (por exemplo, uma bola de tênis, um pedaço de isopor ou uma bóia de pesca) e cronometrar o tempo que leva para percorrer a distância até algum ponto de referência. A distância padrão para o 'percurso' – é de 10 metros.

Se o corpo d'água estiver um pouco longe de casa, pode-se construir um canal de desvio ou uma tubulação, e ao mesmo tempo cuidar dos desníveis de altura.

Agora, divida a distância percorrida em metros pelo número de segundos – essa será a velocidade da correnteza. Mas se o valor obtido for menor que 1 m/s, será necessário construir estruturas artificiais para acelerar o fluxo com desníveis de altura.

Isso é realmente possível com uma barragem desmontável ou um tubo de drenagem estreito. Mas, sem uma boa corrente, você terá que abandonar a ideia da usina hidrelétrica.

Fabricação de uma usina hidrelétrica baseada em roda d'água

Claro, montar 'no improviso' e erguer uma máquina destinada a atender uma empresa ou uma comunidade de até uma dezena de casas é uma ideia fantástica. Mas construir com as próprias mãos uma mini usina hidrelétrica para economizar eletricidade é perfeitamente viável. Além disso, você pode usar tanto componentes prontos quanto materiais disponíveis.

Portanto, vamos examinar passo a passo a fabricação da estrutura mais simples: a roda d'água.

Materiais e ferramentas necessários

Para construir com as próprias mãos uma mini usina hidrelétrica, é necessário preparar um aparelho de solda, uma esmerilhadeira, uma furadeira e um conjunto de ferramentas auxiliares – martelo, chave de fenda, régua.

Dos materiais, você precisará de:

• Cantoneiras e chapas metálicas com espessura de pelo menos 5 mm.
• Tubos de PVC ou aço galvanizado para fabricação das pás.
• Gerador (pode ser um comprado pronto ou feito por você mesmo, como neste exemplo).
• Discos de freio.
• Eixo e rolamentos.
• Compensado.
• Resina de poliestireno para vazar o rotor e o estator.
• Fio de cobre de 15 mm para o gerador caseiro.
• Ímãs de neodímio.

Lembre-se de que a estrutura da roda estará constantemente em contato com a água, portanto, os elementos metálicos e de madeira devem ser escolhidos com proteção contra umidade (ou você mesmo deve cuidar da impregnação e pintura). Idealmente, o compensado pode ser substituído por plástico, mas as peças de madeira são mais fáceis de obter e moldar no formato desejado.

Montagem da roda e fabricação do bocal

A base da própria roda pode ser dois discos de aço do mesmo diâmetro (se for possível obter um tambor de aço de cabo – ótimo, isso acelera muito o processo de montagem).

Mas se não houver metal nos materiais disponíveis, você pode cortar círculos de compensado resistente à água, embora a resistência e a vida útil da madeira tratada não se comparem ao aço. Em seguida, em um dos discos, você precisa fazer um furo circular para a instalação do gerador.

Depois disso, são fabricadas as pás, e são necessárias pelo menos 16 unidades. Para isso, os tubos galvanizados são cortados longitudinalmente em duas ou quatro partes (dependendo do diâmetro). Em seguida, os locais de corte e a própria superfície das pás devem ser lixados para reduzir as perdas de energia por atrito.

As pás são instaladas com uma inclinação de aproximadamente 40-45 graus – isso ajuda a aumentar a área de superfície sobre a qual a força do fluxo atuará.

A distância entre os dois discos laterais deve ser o mais próxima possível do comprimento das pás. Para marcar o local para futuras cubos, recomenda-se fazer um gabarito de compensado, onde será indicado o local para cada peça e os furos para fixação da roda ao gerador. A marcação pronta pode ser fixada na parte externa de um dos discos.

Em seguida, os círculos são instalados paralelamente uns aos outros usando hastes com rosca contínua, e as pás são soldadas ou fixadas com parafusos nas posições desejadas. O tambor girará sobre rolamentos, e uma estrutura de cantoneiras ou tubos de pequeno diâmetro é usada como suporte.

Nesta etapa, a montagem do tambor pode ser considerada concluída; falta equipá-lo com um gerador caseiro e um bocal que direciona o fluxo de água.

O bocal é destinado a fontes de água do tipo cascata – essa instalação permitirá usar a energia do fluxo ao máximo. Este elemento auxiliar é fabricado curvando-se chapas metálicas com posterior soldagem das juntas e, em seguida, é encaixado em um tubo.

No entanto, se na sua região corre um rio de planície sem corredeiras ou outros obstáculos de altura, não há necessidade desta peça.

É importante que a largura da abertura de saída do bocal corresponda à largura da roda; caso contrário, parte do fluxo passará 'em vão', sem atingir as pás.

Agora, a roda deve ser colocada no eixo e instalada em um suporte feito de cantoneiras soldadas ou parafusadas. Resta fazer o gerador (ou instalar um pronto) e pode-se ir para o rio.

Gerador faça você mesmo

Para fabricar um gerador caseiro, é necessário fazer o enrolamento e o encapsulamento do estator, para o que serão necessárias bobinas com 125 espiras de fio de cobre cada uma. Após conectá-las, toda a estrutura é encapsulada com resina de poliéster.

Cada fase consiste em três bobinas conectadas em série, portanto a ligação pode ser feita em estrela ou triângulo com vários terminais externos.

Agora é necessário preparar um molde de compensado que corresponda às dimensões do disco de freio.

Em um anel de madeira, são feitas marcações e ranhuras para instalação dos ímãs (neste caso, foram usados ímãs de neodímio com espessura de 1,3 cm, largura de 2,5 cm e comprimento de 5 cm). Em seguida, o rotor resultante também é encapsulado com resina e, após a secagem, é acoplado ao tambor da roda.

Roda d'água com rotor de discos de freio e gerador de bobinas de fio de cobre – pintada, apresentável e pronta para operação.

Por último, é montada uma carcaça de alumínio com amperímetro, cobrindo os retificadores. A função desses elementos é converter corrente trifásica em contínua.

Após instalar a roda no fluxo de um pequeno riacho com cascata ou tubo de derivação, pode-se esperar um desempenho da mini central hidrelétrica de 1,9A * 12V a 110 rotações por minuto.

Para evitar que folhas, areia e outros detritos trazidos pelo fluxo entrem na roda, é aconselhável colocar uma tela de proteção na frente do dispositivo.

Também é possível experimentar com os espaços entre os ímãs e as bobinas com um número aumentado de espiras para aumentar a eficiência da hidrelétrica.

Você aprenderá sobre todos os tipos de fontes alternativas de energia ao ler o artigo dedicado à implementação de "tecnologias verdes" no dia a dia.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo #1. Exemplo de uma hidrelétrica em funcionamento com um gerador caseiro baseado em um motor trifásico:

Vídeo #2. Mini-hidrelétrica construída com base no princípio da roda d'água:

Vídeo #3. Estação baseada em uma roda de bicicleta – uma opção interessante para resolver o problema de fornecimento de energia durante o lazer longe da civilização:

Como você pode ver, construir uma mini-hidrelétrica caseira não é tão difícil. Mas como a maioria dos cálculos e parâmetros para seus componentes é determinada "a olho", esteja preparado para possíveis avarias e custos associados.

Se você sentir falta de conhecimento e experiência nesta área, vale a pena confiar em especialistas que farão todos os cálculos necessários, recomendarão o equipamento ideal para o seu caso e realizarão sua instalação com qualidade.

Por favor, escreva comentários no bloco abaixo. Compartilhe informações interessantes e recomendações úteis, deixe fotos temáticas. Talvez você queira contar como construiu uma hidrelétrica funcional com as próprias mãos em um terreno suburbano? Ficaremos felizes em ler seu relato sobre o processo de construção e operação.