Гидроэлектрический эксперимент с генератором переменного тока на постоянных магнитах и прямым приводом

На картинке сверху изображен двор Скотта Дэма (Scott’s Dam). В его дворе есть небольшая заводь, из которой выходит труба диаметром 4 дюйма. Длина трубы 15 футов. Давление воды здесь небольшое, примерно 3 фута водяного столба. Наша цель: построить небольшую гидроэлектрическую станцию. Ранее у него уже была установлена подобная станция, которую он сам же и соорудил и подсоединил с помощью ремня к генератору постоянного тока на постоянных магнитах. Такой генератор производит около 1 А, работая круглый сутки уже второй год. Такой мощности хватает, чтобы покрыть почти все потребности в электроэнергии хозяина, у которого всего-то пару лампочек и радио. Этой весной Скотт помогал нам соорудить ветряную турбину для него. Мы выяснили, что внедрив такой же генератор переменного тока как мы поставили на ветряную турбину и немного усовершенствовав водяной вал, мы сможем увеличить мощность уже существующей гидроэлектростанции!

Мы начали с остатков листов металла и уголка. Рабочее колесо было изготовлено из остатков сломанного генератора Онана (Onan Generator). Генератор переменного тока был изготовлен из двух тормозных дисков каждый диаметров 11 дюймов. Возможно, их сняли с Доджа (Dodge), но это всего лишь предположение. Также для изготовления генератора использовалась ступица колеса, скорее всего с того же Доджа

Лопасти турбины изготавливаются из металлической трубы диаметром 4 дюйма, разрезанной вдоль на 4 части.

Диаметр боковых деталей турбины равен 12 дюймам. На картинке Вы видите шаблон, который мы изготовили для того, чтобы наметить отверстия для крепления турбины к ступице (для 5 опор) и разметить точное расположение и угол лопастей. Образцом для создания нашей турбины послужила турбина «Banki», которая очень похожа на беговое колесо для белок. Если посмотреть на турбину Banki в работе, то водный поток входит в нее сверху под углом (если использовать часовой циферблат, то можно сказать, что вода входит на 10 часов), проходит через середину колеса и выходит внизу под углом (на 5 часов). Такой угол водного потока толкает лопасти турбины дважды (когда входит и когда выходит из колеса). Перед тем как приступить к изготовлению нашей турбины, мы просмотрели большое количество фото с турбинами такого рода, и, предположив оптимальный размер турбины и лопастей и их угол расположения. На фото сверху Вы видите процесс разметки положения всех деталей колеса турбины (отверстий крепления и мест крепления лопастей). Нужно заметить, что в нашем колесе 16 лопастей.

Шаблон с разметкой мы приклеили к одному из металлических дисков (боковой стороне колеса) и зафиксировали оба диска, так чтобы при сверлении они не смещались. На фото сверху Вы видите процесс просверливания небольших отверстий, которые в будущем помогут нам правильно прикрепить лопасти.

Расстояние между двумя боковыми частями колеса (оно же равно длине лопасти) составляет 10 дюймов. Перед тем как начинать монтаж лопастей мы закрепили обе боковые части четырьмя прутами. На этом фото видны небольшие отверстия для монтажа лопастей.

На фото вверху Вы видите процесс приваривания боковых частей и лопастей. Необходимо заметить, что лопасти изготовлены из оцинкованной стали. Мы счистили оцинковку с поверхности деталей перед началом сварки, т.к. при сварке оцинкованного металла выделяется токсический газ.

На фото сверху Вы уже видите почти готовое колесо турбины. Немного позже мы оцинкуем колесо снова. На этой фотографии не видно, но на одной из фотографий ниже Вы увидите 4-х дюймовое отверстие в центре колеса на противоположной стороне от генератора, которое мы проделали для облегчения процесса крепления колеса к генератору. Также это отверстие поможет нам вытянуть мусор, который может попасть в колесо и заклинить его.

Наконечник трубы (щелевидное сопло) будет иметь такую же ширину как наше колесо (10 дюймов), обратная же сторона, которая будет надеваться на трубу, на 1 дюйм шире. Размер входной части примерно составляет 4 дюйма (немного меньше), что совпадает с диаметром трубы, на которую мы будем надевать этот наконечник. На фото сверху Вы видите, как мы сгибаем лист метала специально для изготовления сопла.

На фото сверху мы прикрепили колесо к втулке. Мы практически смонтировали все кроме самого генератора. Благодаря такой конструкции положение частей можно регулировать. Вы можете подвинуть сопло вперед и назад, вверх или вниз. Колесо и генератор также можно сдвигать вперед или назад.

На фото сверху Вы видите катушки статора готовые к заливке фиксирующим изоляционным материалом. Каждая катушка состоит из 125 витков провода #17. Статор трехфазный. Одна фаза объединяет три катушки, получаем 6 выводов-подключений. Это позволяет две схемы подключения: звездой или треугольником.

На фото сверху Вы видите статор после заливки. Диаметр статора составляет 14 дюймов, толщина — 1/2дюйма.

Для того чтобы легче было прикрепить магниты к тормозным дискам мы изготовили шаблон из фанеры. На фото сверху шаблон и один из тормозных дисков.

На фото сверху уже прикрепленный к диску шаблон с магнитами в прорезях. Для каждого диска мы взяли 12 магнитов размером 1дюйм X 2дюйм X 1/2дюйм. Эта часть нашей турбины практически идентична генераторам, которые используются на заводах Hugh Piggott’s Axial Flux Wind Turbine.

Для заливки статора и магнитных дисков мы использовали полиэфирную фибровую смолу. Как только смола застынет, магнитные диски будут готовы.

На фото сверху турбина в уже собранном виде с подсоединенным генератором.

Вид турбины с противоположной стороны. Вы видите два мостиковых выпрямителя за алюминиевой крышкой, которые преобразовывают переменный электрических ток от трех фаз в постоянный. Максимальное значение на измерительной шкале составляет 6 А. Здесь расстояние (зазор) между магнитными дисками минимальный, что позволяет вырабатывать постоянный ток мощностью 12,5 Вольт при 38 оборотах в минуту. При помощи трех закручивающихся болтов на дальнем диске мы можем регулировать расстояние между дисками. Это, при необходимости, ускорить работу генератора, чтобы скорость работы генератора совпала с оптимальной скоростью вращения турбины. Хорошо, что конструкция турбины позволяет вносить такие корректировки!

Все подготовительные работы, описанные выше, заняли не более трех дней.

На очистку всех деталей от ржавчины, грунтовку и покраску ушло примерно часа два. Возможно, эти процедуры были излишни, но так приятно смотреть на красивую вещь, особенно, если она не заработает!

Наша красивая свежевыкрашенная турбина! Сначала мы планировали накрыть генератор колпаком, который бы вращался вместе с ним, чтобы предотвратить попадание воды на электрические компоненты и на подшипник. Но мы так и не нашли ничего подходящего для этой цели. Мы запланировали установить его позже.

На фото сверху Вы видите турбину в уже готовом виде. Все на месте, кроме щелевидного сопла.

На фото сверху Вы видите то место, где мы планировали установить нашу турбину. 4-дюймовая труба выходит из основания дамбы. Здесь давление водного столба достигает 3 футов. Здесь вытекает только небольшая часть воды из заводи. Выше платины находиться небольшой островок, который делит заводь. Часть воды попадает в заводь, а часть уходит немного в сторону и не задерживается плотиной. Благодаря этому рыба в ручейке может свободно двигаться по течению вверху и вниз, а дамба и турбина не навредят.

На фото сверху вы видите старую турбину Скотта, которая проработала 2 года, даже зимой. Нужно заметить, что она вырабатывает только около 1 А (12 Ватт). Вы видите турбину, похожую на беличью беговую дорожку, с ременным приводом и драйвером накопителем Ametek с магнитной лентой. Чтобы выжать из него 1А, необходимо было постоянно следить за натяжение ремня и время от времени его подтягивать. Но, несмотря на это, турбина работала хорошо! Надеемся, наша турбина будет работать еще лучше…

Вы видите процесс установки и подгонки системы на месте. Подгонка проходит достаточно легко, благодаря конструкции системы. Когда нам все-таки удается пустить воду под углом так, чтобы она входила на 10 часов и выходила на 5 часов, мы добиваемся желаемого результата.

Турбина в процессе выработки электроэнергии. В итоге получается около 2А (если быть точными, то 1,9А). Мы надеялись на наименьшее 2А, но после всех усовершенствований конструкции мы даже не превысили отметку 1,9А. А так хотелось большего! Каждое усовершенствование системы помогло выбрать максимально эффективное положение щелевого сопла. Мы еще можем отрегулировать зазор между дисками генератора или изменить схему подключения с звезды на треугольник. Но по моему мнению подключение звездой намного эффективнее, потому что выдает немного больше энергии при том же количестве оборотов в минуту и большем зазоре, чем треугольник — при меньшем зазоре (зазор — расстояние между магнитными дисками; увеличение этот зазора уменьшает плотность тока в катушках, что в свою очередь, увеличивает скорость тока) Мы все-таки остановились на схеме подключения звездой с 1,25-дюймовым зазором (достаточно большой зазор!). Как вариант, можно удешевить конструкцию за счет магнитов меньшего размера при меньшем зазоре или немного увеличить эффективность при таких же магнитах, меньшем зазоре, меньшем количестве катушек и более толстом проводе. Возможно, мы все-таки внесем некоторые изменения немного позже. На данный момент, система работает без нагрузки на 160 об/мин, под нагрузкой — при 110 об/мин, вырабатывая 1,9А (12 В).

Мы получили массу удовольствия, и, наша система достаточно хорошо работает! Нам осталось подыскать подходящий колпак, чтобы защитить генератор и контакты от воды. Одна проблема, которой я не придал значения сначала, это то, что заводь полна мелкого магнетита. Уже после нескольких часов работы на магнитах появились небольшие скопления. Возможно, стоит поставить экран и несколько магнитов на сопле, чтобы собирать магнетит до того как он попадет в колесо. Установка колпака поверх генератора также позволит уберечь генератор от воды и магнетита.

Источник: www.otherpower.com/scotthydro1.html