Wasserkraftwerk zum Selbermachen: So bauen Sie eine autonome Mini-Wasserkraftanlage

Die Kraft des Wasserflusses ist eine erneuerbare natürliche Ressource, die es ermöglicht, nahezu kostenlosen Strom zu erzeugen. Die von der Natur geschenkte Energie bietet die Möglichkeit, bei den Nebenkosten zu sparen und das Problem des Aufladens von Geräten zu lösen.

Wenn ein Bach oder Fluss in der Nähe Ihres Hauses fließt, lohnt es sich, diese zu nutzen. Sie können das Grundstück und das Haus mit Strom versorgen. Und wenn ein Wasserkraftwerk in Eigenbau errichtet wird, steigt der wirtschaftliche Effekt um ein Vielfaches.

Im vorliegenden Artikel werden die Technologien zur Herstellung privater Wasserbauwerke detailliert beschrieben. Wir haben erläutert, was für die Einrichtung der Anlage und ihren Anschluss an die Verbraucher benötigt wird. Bei uns erfahren Sie alle Varianten von Miniaturstromlieferanten, die aus handelsüblichen Materialien gebaut werden können.

Wasserkraftwerke für den privaten Gebrauch

Wasserkraftwerke sind Anlagen, die die Bewegungsenergie des Wassers in Elektrizität umwandeln können. Alternative “grüne” Stromversorger werden derzeit nur im Westen aktiv genutzt. In unserem Land macht dieser vielversprechende Sektor erst zögerliche erste Schritte.

Kleine private Wasserkraftwerke können Staudämme an großen Flüssen sein, die von einem Dutzend bis zu mehreren hundert Megawatt erzeugen, oder Mini-Wasserkraftwerke mit einer maximalen Leistung von 100 kW, die für die Bedürfnisse eines Privathauses völlig ausreichen. Über Letztere erfahren wir nun mehr.

Girlanden-Wasserkraftwerk mit Wasserschrauben

Die Konstruktion besteht aus einer Kette von Rotoren, die an einem flexiblen Stahlseil befestigt sind, das quer über den Fluss gespannt ist. Das Seil selbst fungiert als rotierende Welle, deren eines Ende auf einem Stützlager fixiert ist, während das andere Ende die Welle des Generators antreibt.

Jeder Hydrorotor der „Girlande“ kann etwa 2 kW Energie erzeugen, allerdings muss die Geschwindigkeit des Wasserstroms dafür mindestens 2,5 Meter pro Sekunde betragen und die Tiefe des Gewässers darf 1,5 m nicht überschreiten.

Das Funktionsprinzip eines Girlanden-Wasserkraftwerks ist einfach: Der Wasserdruck versetzt die Hydropropeller in Rotation, die wiederum das Seil drehen und den Generator zur Stromerzeugung antreiben.

Girlanden-Kraftwerke wurden bereits Mitte des letzten Jahrhunderts erfolgreich eingesetzt, doch damals dienten selbstgebaute Propeller und sogar Konservendosen als Schrauben. Heute bieten die Hersteller verschiedene Rotortypen für unterschiedliche Betriebsbedingungen an.

Sie werden mit unterschiedlich großen Schaufeln aus Blech ausgestattet und ermöglichen einen maximalen Wirkungsgrad der Anlage.

Obwohl dieser Hydrogenerator in der Herstellung recht einfach ist, setzt sein Betrieb eine Reihe spezieller Bedingungen voraus, die im realen Leben nicht immer umsetzbar sind. Solche Anlagen blockieren das Flussbett, und es ist unwahrscheinlich, dass die Nachbarn am Ufer, ganz zu schweigen von den Vertretern der Umweltbehörden, die Nutzung der Strömungsenergie für Ihre Zwecke erlauben.

Außerdem kann die Anlage im Winter nur auf nicht gefrierenden Gewässern betrieben werden; unter rauen klimatischen Bedingungen muss sie konserviert oder demontiert werden. Daher werden Girlanden-Kraftwerke nur vorübergehend und vorwiegend in menschenleeren Gebieten errichtet (z. B. in der Nähe von Sommerweiden).

Rotoranlagen mit einer Leistung von 1 bis 15 kW/h erzeugen bis zu 9,3 MW pro Monat und ermöglichen die eigenständige Lösung des Elektrifizierungsproblems in Regionen, die von zentralen Stromnetzen entfernt sind.

Ein modernes Äquivalent der Girlandenanlage sind Unterwasser- oder Aufschwimm-Rahmenanlagen mit Querrotoren. Im Gegensatz zu ihrem Girlandenvorgänger blockieren diese Konstruktionen nicht den gesamten Fluss, sondern nutzen nur einen Teil des Flussbetts, wobei sie auf einem Ponton/Floss installiert oder sogar auf den Gewässerboden abgesenkt werden können.

Vertikaler Darrieus-Rotor

Der Darrieus-Rotor ist eine Turbinenvorrichtung, die 1931 nach ihrem Erfinder benannt wurde. Das System besteht aus mehreren aerodynamischen Schaufeln, die auf radialen Trägern befestigt sind, und arbeitet aufgrund des Druckunterschieds nach dem Prinzip des „Auftriebsflügels“, das im Schiffbau und in der Luftfahrt weit verbreitet ist.

Obwohl solche Anlagen eher für die Errichtung von Windkraftanlagen verwendet werden, können sie auch mit Wasser arbeiten. In diesem Fall sind jedoch genaue Berechnungen erforderlich, um die Dicke und Breite der Schaufeln entsprechend der Stärke des Wasserstroms anzupassen.

Der Darrieus-Rotor erinnert an eine „Windmühle“, die jedoch unter Wasser installiert ist, und er kann unabhängig von saisonalen Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit arbeiten.

Zur Errichtung lokaler Wasserkraftwerke werden vertikale Rotoren selten eingesetzt. Trotz des guten Wirkungsgrads und der scheinbaren Einfachheit der Konstruktion ist die Ausrüstung recht komplex im Betrieb.

Vor Betriebsbeginn muss das System „hochgefahren“ werden, aber das gestartete Kraftwerk kann nur durch das Zufrieren des Gewässers gestoppt werden. Daher wird der Darrieus-Rotor hauptsächlich in Industrieanlagen eingesetzt.

Ein interessantes Lösung im Bereich der Planung kleiner Wasserkraftwerke mit vertikal arbeitender Turbine schlug der österreichische Erfinder Franz Zotlöterer vor:

Ein gewichtiger Pluspunkt von Strudelkraftwerken ist zu Recht die Erhaltung der Fischbestände. Der Betrieb der vertikalen Turbine schadet den lebenden Organismen des Flusses nicht. Zudem setzt sich an den Wänden der Bauwerke aufgrund der spezifischen Wasserströmung kein Schlamm ab.

Unterwasser-Schraubenpropeller

Im Grunde genommen handelt es sich um eine einfache Luftwindkraftanlage, die jedoch unter Wasser installiert wird. Die Abmessungen der Rotorblätter werden in Abhängigkeit von der Stärke der Strömung berechnet, um eine maximale Drehzahl und minimalen Widerstand zu gewährleisten. Wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit 2 m/s nicht überschreitet, sollte die Breite des Rotorblatts zwischen 2 und 3 cm liegen.

Einen Unterwasserpropeller kann man leicht selbst herstellen, aber er eignet sich nur für tiefe und schnelle Flüsse – in flachen Gewässern können die sich drehenden Rotorblätter Anglern, Badenden, Wasservögeln und Tieren Verletzungen zufügen.

Eine solche Windkraftanlage wird „gegen“ die Strömung installiert, aber ihre Rotorblätter arbeiten nicht durch den Wasserdruck, sondern durch die Entstehung von Auftrieb (nach dem Prinzip eines Flugzeugflügels oder eines Schiffspropellers).

Wasserrad mit Schaufeln

Das Wasserrad ist eine der einfachsten Varianten eines hydraulischen Motors, die bereits seit der Zeit des Römischen Reiches bekannt ist. Seine Effizienz hängt weitgehend von der Art der Quelle ab, an der es installiert wurde.

Ein unterschlächtiges Wasserrad kann sich nur durch die Strömungsgeschwindigkeit drehen, ein oberschlächtiges dagegen durch den Druck und das Gewicht des von oben auf die Schaufeln fallenden Wassers.

Abhängig von der Tiefe und dem Flussbett des Wasserlaufs können verschiedene Radtypen installiert werden:

• Unterschlächtige (oder unterwasserbeschlagene) – geeignet für flache Flüsse mit schneller Strömung.
• Mittelschlächtige – sie werden in Flussbetten mit natürlichen Kaskaden so platziert, dass der Strom etwa in die Mitte der rotierenden Trommel trifft.
• Überlaufräder (oder oberschlächtige Wasserräder) – werden unterhalb eines Damms, eines Rohrs oder am unteren Ende einer natürlichen Schwelle installiert, damit das herabfallende Wasser seinen Weg über die Spitze des Rades fortsetzen kann.

Doch das Funktionsprinzip ist bei allen Varianten dasselbe: Das Wasser trifft auf die Schaufeln und setzt das Rad in Bewegung, das den Generator für das Mini-Wasserkraftwerk antreibt.

Die Hersteller von Wasserbauausrüstung bieten fertige Turbinen an, deren Schaufeln speziell an eine bestimmte Fließgeschwindigkeit angepasst sind. Aber Heimwerker fertigen Trommelkonstruktionen auf altmodische Weise – aus vorhandenen Materialien.

Die folgenden Fotos helfen Ihnen, die Schritte zum Bau der einfachsten Variante eines Mini-Wasserkraftwerks kennenzulernen:

Möglicherweise wirkt sich die fehlende Optimierung auf die Effizienz aus, aber die Kosten für die selbstgebaute Anlage sind um ein Vielfaches geringer als für ein gekauftes Gegenstück. Daher ist das Wasserrad die beliebteste Option für den Bau eines eigenen Mini-Wasserkraftwerks.

Voraussetzungen für die Installation eines Wasserkraftwerks

Trotz der verlockenden Billigkeit der von einem Wassergenerator erzeugten Energie ist es wichtig, die Eigenschaften der Wasserquelle zu berücksichtigen, deren Ressourcen Sie für Ihren eigenen Bedarf nutzen möchten.

Denn nicht jeder Wasserlauf eignet sich für den Betrieb eines Mini-Wasserkraftwerks, schon gar nicht ganzjährig. Daher ist es nicht schlecht, eine Möglichkeit zum Anschluss an das zentrale Stromnetz in Reserve zu haben.

Einige Vor- und Nachteile

Die Hauptvorteile eines privaten Wasserkraftwerks liegen auf der Hand: preiswerte Ausrüstung, die günstigen Strom erzeugt, und das ohne die Natur zu schädigen (im Gegensatz zu Staudämmen, die den Fluss stauen). Obwohl man das System nicht als völlig ungefährlich bezeichnen kann – die rotierenden Teile der Turbinen können doch die Unterwasserbewohner und sogar Menschen verletzen.

Um Unfälle zu vermeiden, muss das Wasserkraftwerk umzäunt werden. Wenn die Anlage vollständig unter Wasser verborgen ist, sollte am Ufer ein Warnschild aufgestellt werden.

Vorteile eines Mini-Wasserkraftwerks:

1. Im Gegensatz zu anderen „kostenlosen“ Energiequellen (Sonnenkollektoren, Windgeneratoren) können Wasserkraftsysteme unabhängig von Tageszeit und Wetter arbeiten. Das Einzige, was sie stören kann, ist das Zufrieren des Gewässers.
2. Für die Installation eines Hydrogenerators ist kein großer Fluss erforderlich – dieselben Wasserradsysteme können erfolgreich sogar in kleinen (aber schnellen!) Bächen eingesetzt werden.
3. Die Anlagen stoßen keine Schadstoffe aus, verschmutzen kein Wasser und arbeiten nahezu geräuschlos.
4. Für die Installation eines Mini-Wasserkraftwerks mit einer Leistung von bis zu 100 kW ist keine Genehmigungsdokumentation erforderlich (obwohl dies von den örtlichen Behörden und dem Anlagentyp abhängt).
5. Überschüssigen Strom kann man an Nachbarhäuser verkaufen.

Was die Nachteile betrifft – ein ernsthaftes Hindernis für den produktiven Betrieb der Anlage kann eine unzureichende Strömungsstärke sein. In diesem Fall müssen Hilfsstrukturen errichtet werden, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.

Wenn die potenzielle Energie eines nahe gelegenen Flusses bei einer groben Berechnung nicht ausreicht, um Strom in einem für die praktische Anwendung ausreichenden Umfang zu erzeugen, sollte man auf Methoden zum Bau von Windgeneratoren achten. Eine Windkraftanlage dient als effektive Ergänzung.

Messung der Wasserströmungskraft

Das Erste, was man tun muss, um über den Typ und die Montagemethode der Station nachzudenken, ist die Messung der Strömungsgeschwindigkeit an der ausgewählten Wasserquelle.

Die einfachste Methode besteht darin, einen leichten Gegenstand (z. B. einen Tennisball, ein Stück Styropor oder eine Angelpose) in die Strömung zu werfen und mit einer Stoppuhr die Zeit zu messen, die er braucht, um eine bestimmte Strecke bis zu einem Orientierungspunkt zurückzulegen. Die Standarddistanz für den „Schwimmversuch“ – 10 Meter.

Wenn das Gewässer etwas weiter vom Haus entfernt liegt, kann man einen Umleitungskanal oder eine Rohrleitung bauen und sich gleichzeitig um Höhenunterschiede kümmern.

Nun muss man die zurückgelegte Strecke in Metern durch die Anzahl der Sekunden teilen – das ergibt die Strömungsgeschwindigkeit. Wenn der erhaltene Wert jedoch weniger als 1 m/s beträgt, müssen künstliche Bauwerke errichtet werden, um die Strömung durch Höhenunterschiede zu beschleunigen.

Das ist mit einer zerlegbaren Staumauer oder einem schmalen Abflussrohr realisierbar. Aber ohne eine gute Strömung muss man die Idee mit dem Wasserkraftwerk aufgeben.

Bau eines Wasserkraftwerks auf Basis eines Wasserrades

Natürlich ist es eine Fantasievorstellung, ein Monster, das für die Versorgung eines Unternehmens oder einer Siedlung mit sogar einem Dutzend Häusern bestimmt ist, 'aus dem Handgelenk' zu bauen und zu errichten. Aber ein Mini-Wasserkraftwerk mit eigenen Händen zu bauen, um Strom zu sparen, ist durchaus realisierbar. Dabei können sowohl fertige Komponenten als auch verfügbare Materialien verwendet werden.

Daher wird die Herstellung der einfachsten Konstruktion – eines Wasserrades – Schritt für Schritt betrachtet.

Erforderliche Materialien und Werkzeuge

Um ein Mini-Wasserkraftwerk mit eigenen Händen zu bauen, benötigen Sie ein Schweißgerät, eine Flex, eine Bohrmaschine und einen Satz Hilfswerkzeuge – Hammer, Schraubendreher, Lineal.

An Materialien werden benötigt:

• Winkelprofile und Stahlblech mit einer Dicke von mindestens 5 mm.
• Rohre aus PVC oder verzinktem Stahl zur Herstellung der Schaufeln.
• Generator (es kann ein fertig gekaufter verwendet werden oder selbst gebaut, wie in diesem Beispiel).
• Bremsscheiben.
• Welle und Lager.
• Sperrholz.
• Polystyrolharz zum Gießen von Rotor und Stator.
• Kupferdraht von 15 mm Durchmesser für den selbstgebauten Generator.
• Neodym-Magnete.

Beachten Sie, dass die Radkonstruktion ständig mit Wasser in Kontakt kommt. Daher müssen Metall- und Holzteile mit Feuchtigkeitsschutz ausgewählt werden (oder selbst für Imprägnierung und Lackierung sorgen). Im Idealfall kann Sperrholz durch Kunststoff ersetzt werden, aber Holzteile sind einfacher zu beschaffen und in die gewünschte Form zu bringen.

Montage des Rades und Herstellung der Düse

Als Grundlage für das Rad selbst können zwei Stahlscheiben mit gleichem Durchmesser dienen (wenn es möglich ist, eine Stahltrommel von einem Kabel zu bekommen – ausgezeichnet, das beschleunigt den Montageprozess erheblich).

Aber wenn in den verfügbaren Materialien kein Metall vorhanden ist, können Kreise auch aus wasserfestem Sperrholz ausgeschnitten werden, obwohl die Festigkeit und Lebensdauer selbst von behandeltem Holz nicht mit Stahl vergleichbar ist. Dann muss auf einer der Scheiben eine runde Öffnung für die Montage des Generators geschnitten werden.

Danach werden die Schaufeln hergestellt – es werden mindestens 16 Stück benötigt. Dazu werden verzinkte Rohre der Länge nach in zwei oder vier Teile geschnitten (abhängig vom Durchmesser). Anschließend müssen die Schnittkanten und die Oberfläche der Schaufeln abgeschliffen werden, um Energieverluste durch Reibung zu verringern.

Die Schaufeln werden in einem Winkel von etwa 40-45 Grad angebracht – dies hilft, die Oberfläche zu vergrößern, auf die die Strömungskraft einwirkt.

Der Abstand zwischen den beiden Seitenscheiben sollte so weit wie möglich der Länge der Schaufeln entsprechen. Um die Position der zukünftigen Naben zu markieren, wird empfohlen, eine Schablone aus Sperrholz anzufertigen, auf der die Position jedes Teils und die Löcher zur Befestigung des Rades am Generator eingezeichnet sind. Die fertige Markierung kann auf der Außenseite einer der Scheiben angebracht werden.

Dann werden die Kreise mit Hilfe von Gewindestangen parallel zueinander ausgerichtet, und die Schaufeln werden in den gewünschten Positionen angeschweißt oder mit Bolzen befestigt. Die Trommel dreht sich auf Lagern, und als Stütze dient ein Rahmen aus Winkeln oder Rohren mit kleinem Durchmesser.

An diesem Punkt kann die Montage der Trommel als abgeschlossen betrachtet werden. Es bleibt nur noch, sie mit einem selbstgebauten Generator und einer Düse zur Wasserführung auszustatten.

Die Düse ist für Wasserquellen vom Kaskadentyp vorgesehen – eine solche Anlage ermöglicht eine maximale Nutzung der Strömungsenergie. Dieses Hilfselement wird durch Biegen von Blech und anschließendes Verschweißen der Nähte hergestellt und anschließend auf ein Rohr aufgesetzt.

Wenn jedoch in Ihrer Gegend ein Flachlandfluss ohne Stromschnellen und andere Höhenhindernisse fließt, ist dieses Teil nicht erforderlich.

Wichtig ist, dass die Breite der Düsenöffnung der Breite des Rades selbst entspricht, da sonst ein Teil der Strömung ins Leere läuft, ohne auf die Schaufeln zu treffen.

Nun muss das Rad auf die Achse aufgesetzt und auf eine Stütze aus verschweißten oder mit Bolzen verbundenen Winkeln montiert werden. Es bleibt nur noch, einen Generator zu bauen (oder einen fertigen zu installieren) und schon kann es zum Fluss gehen.

Generator zum Selberbauen

Für den Bau eines selbstgebauten Generators müssen die Wicklung und der Stator vergossen werden. Dazu werden Spulen mit je 125 Windungen Kupferdraht benötigt. Nach dem Verbinden wird die gesamte Konstruktion mit Polyesterharz vergossen.

Jede Phase besteht aus drei in Reihe geschalteten Spulen, sodass die Verbindung in Stern- oder Dreieckschaltung mit mehreren externen Anschlüssen erfolgen kann.

Jetzt muss eine Schablone aus Sperrholz vorbereitet werden, die in den Maßen mit der Bremsscheibe übereinstimmt.

Auf dem Holzring werden Markierungen angebracht und Schlitze für die Magnete geschnitten (in diesem Fall wurden Neodym-Magnete mit einer Dicke von 1,3 cm, einer Breite von 2,5 cm und einer Länge von 5 cm verwendet). Anschließend wird der so entstandene Rotor ebenfalls mit Harz vergossen und nach dem Trocknen mit der Trommel des Rades verbunden.

Wasserrad mit Rotor aus Bremsscheiben und Generator aus Kupferdrahtspulen – lackiert, ansprechend und betriebsbereit.

Zuletzt wird ein Aluminiumgehäuse mit Amperemeter montiert, das die Gleichrichter abdeckt. Die Aufgabe dieser Elemente besteht darin, Drehstrom in Gleichstrom umzuwandeln.

Nach dem Einsetzen des Rades in den Fluss eines kleinen Baches mit Kaskade oder Abflussrohr kann man mit einer Leistung des Mini-Wasserkraftwerks von 1,9 A * 12 V bei 110 Umdrehungen pro Minute rechnen.

Um zu verhindern, dass Blätter, Sand und anderer vom Strom mitgeführter Schmutz in das Rad gelangen, sollte vor der Anlage ein Schutzgitter angebracht werden.

Man kann auch mit den Abständen zwischen den Magneten und den Spulen mit einer erhöhten Windungszahl experimentieren, um den Wirkungsgrad des Wasserkraftwerks zu erhöhen.

Über alle Arten alternativer Energiequellen erfahren Sie, wenn Sie den Artikel über die Einführung von “grünen Technologien” im Alltag lesen.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Video #1. Beispiel einer funktionierenden Wasserkraftanlage mit einem selbstgebauten Generator auf Basis eines Drehstrommotors:

Video #2. Mini-Wasserkraftwerk, konstruiert nach dem Prinzip eines Wasserrades:

Video #3. Station auf Basis eines Fahrradrades – eine interessante Lösung für die Energieversorgung beim Urlaub fernab der Zivilisation:

Wie Sie sehen, ist es gar nicht so schwierig, ein Mini-Wasserkraftwerk mit eigenen Händen zu bauen. Da die meisten Berechnungen und Parameter für die Komponenten jedoch nach Augenmaß bestimmt werden, sollte man auf mögliche Defekte und damit verbundene Kosten vorbereitet sein.

Wenn Sie einen Mangel an Wissen und Erfahrung in diesem Bereich spüren, sollten Sie sich an Fachleute wenden, die alle notwendigen Berechnungen durchführen, die für Ihren Fall optimale Ausrüstung empfehlen und diese fachgerecht installieren.

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