Central hidroeléctrica por cuenta propia: cómo construir una mini central hidroeléctrica autónoma

La fuerza del flujo de agua es un recurso natural renovable que permite obtener electricidad prácticamente gratuita. La energía regalada por la naturaleza brindará la oportunidad de ahorrar en servicios públicos y resolver el problema de la recarga de dispositivos.

Si cerca de su casa fluye un arroyo o un río, vale la pena aprovecharlos. Podrán suministrar electricidad a la parcela y a la casa. Y si además la central hidroeléctrica se construye por uno mismo, el efecto económico se multiplica.

En este artículo se describen detalladamente las tecnologías para construir instalaciones hidrotécnicas particulares. Le explicamos qué necesita para montar el sistema y conectarlo a los consumidores. Aquí conocerá todas las opciones de generadores de energía en miniatura fabricados con materiales de andar por casa.

Centrales hidroeléctricas no industriales

Las centrales hidroeléctricas son instalaciones capaces de convertir la energía del movimiento del agua en electricidad. Proveedores alternativos “verdes” de electricidad aún se explotan activamente solo en Occidente. En el territorio de nuestro país, esta prometedora industria apenas da sus primeros pasos tímidos.

Las pequeñas centrales hidroeléctricas privadas pueden ser presas en grandes ríos que generan desde decenas hasta varios cientos de megavatios, o minicentrales hidroeléctricas con una potencia máxima de 100 kW, que son suficientes para las necesidades de una casa particular. Conozcamos más sobre estas últimas.

Central de guirnalda con hidrotornillos

La estructura consiste en una cadena de rotores fijados a un cable de acero flexible tensado a través del río. El propio cable actúa como eje de rotación, con un extremo fijado en un cojinete de soporte y el otro activando el eje del generador.

Cada hidrorrotor de la «guirnalda» puede generar alrededor de 2 kW de energía, aunque la velocidad del flujo de agua debe ser de al menos 2,5 metros por segundo y la profundidad del cuerpo de agua no debe exceder 1,5 m.

El principio de funcionamiento de una central hidroeléctrica de guirnalda es simple: la presión del agua hace girar las hidrohélices, estas giran el cable y hacen que el generador produzca energía.

Las centrales de guirnalda se utilizaron con éxito ya a mediados del siglo pasado, pero entonces el papel de las hélices lo desempeñaban hélices caseras e incluso latas de conserva. Hoy en día, los fabricantes ofrecen varios tipos de rotores para diferentes condiciones de operación.

Están equipados con palas de diferentes tamaños, hechas de chapa metálica, y permiten obtener la máxima eficiencia de la central.

Pero aunque este hidrogenerador es bastante simple de fabricar, su operación implica una serie de condiciones especiales, no siempre factibles en la vida real. Estas estructuras bloquean el cauce del río, y es poco probable que los vecinos de la orilla, por no hablar de los representantes de los servicios ecológicos, permitan usar la energía del flujo para sus fines.

Además, en invierno la instalación solo se puede utilizar en cuerpos de agua que no se congelan, y en condiciones de clima severo se debe conservar o desmontar. Por lo tanto, las centrales de guirnalda se construyen temporalmente y principalmente en áreas despobladas (por ejemplo, cerca de pastos de verano).

Las estaciones de rotor con potencia de 1 a 15 kW/h generan hasta 9,3 MW al mes y permiten resolver de forma autónoma el problema de electrificación en regiones alejadas de las redes centralizadas.

El análogo moderno de la instalación en guirnalda son las estaciones de marco sumergibles o flotantes con rotores transversales. A diferencia de su predecesora de guirnalda, estas estructuras no bloquean todo el río, sino que utilizan solo una parte del cauce; además, se pueden instalar sobre un pontón o balsa, o incluso sumergirse hasta el fondo del cuerpo de agua.

Rotor vertical Darrieus

El rotor Darrieus es un dispositivo de turbina que recibió su nombre en honor a su inventor en 1931. El sistema consta de varias palas aerodinámicas fijadas en vigas radiales y funciona gracias a la diferencia de presión según el principio del «ala de sustentación», ampliamente utilizado en la construcción naval y la aviación.

Aunque estas instalaciones se utilizan más para crear aerogeneradores, también pueden funcionar con agua. Pero en este caso se requieren cálculos precisos para seleccionar el grosor y el ancho de las palas de acuerdo con la fuerza del flujo de agua.

El rotor Darrieus recuerda a un «molino de viento», pero instalado bajo el agua, y puede funcionar independientemente de las variaciones estacionales de la velocidad del flujo.

Para la creación de centrales hidroeléctricas locales, los rotores verticales se utilizan raramente. A pesar de los buenos índices de eficiencia y la aparente simplicidad de la construcción, el equipo es bastante complejo en su operación.

Antes de comenzar el funcionamiento, el sistema debe «acelerarse»; pero detener la estación ya en marcha solo podrá la congelación del embalse. Por lo tanto, el rotor Darrieus se utiliza principalmente en empresas industriales.

Una solución interesante en el ámbito del diseño de pequeñas centrales hidroeléctricas con turbina de funcionamiento vertical fue propuesta por el inventor austriaco Franz Zotlöterer:

Una ventaja importante de las estaciones de vórtice es, con toda razón, la conservación de los recursos pesqueros. El funcionamiento de la turbina vertical no daña a los organismos vivos del río. Además, en las paredes de las estructuras no se acumula limo debido al movimiento específico del flujo de agua.

Hélice de tornillo subacuática

En esencia, es el molino de viento más simple, solo que se instala bajo el agua. Las dimensiones de las palas se calculan en función de la fuerza del flujo de corriente para garantizar la máxima velocidad de rotación y la mínima resistencia. Por ejemplo, si la velocidad de la corriente no supera los 2 m/s, la anchura de la pala debe estar entre 2 y 3 cm.

La hélice submarina no es complicada de fabricar con sus propias manos, pero solo es adecuada para ríos profundos y de corriente rápida; en un cuerpo de agua poco profundo, las palas giratorias pueden lesionar a pescadores, bañistas, aves acuáticas y animales.

Dicho molino se instala 'en contra' de la corriente, pero sus palas funcionan no por la presión del caudal de agua, sino gracias a la aparición de fuerza de sustentación (según el principio del ala de un avión o la hélice de un barco).

Rueda hidráulica con paletas

La rueda hidráulica es uno de los modelos más simples de motor hidráulico, conocido desde la época del Imperio Romano. La eficiencia de su funcionamiento depende en gran medida del tipo de fuente en la que se instala.

La rueda de paso inferior puede girar solo gracias a la velocidad del flujo, mientras que la de paso superior lo hace mediante la presión y el peso del agua que cae desde arriba sobre las palas.

Dependiendo de la profundidad y del cauce del flujo de agua, se pueden instalar diferentes tipos de ruedas:

• De paso inferior (o rueda subacuática) – son adecuadas para ríos poco profundos con corriente rápida.
• De paso medio – se colocan en cauces con cascadas naturales de modo que el flujo golpee aproximadamente la mitad del tambor giratorio.
• De paso superior (o rueda de cangilones) – se instalan debajo de una presa, tubería o en la parte inferior de un umbral natural, para que el agua que cae continúe su camino a través de la parte superior de la rueda.

Sin embargo, el principio de funcionamiento es el mismo en todos los casos: el agua incide sobre las palas y acciona la rueda, la cual hace girar el generador para una minicentral eléctrica.

Los fabricantes de equipos hidráulicos ofrecen turbinas prefabricadas cuyas palas están adaptadas específicamente a una velocidad determinada del flujo de agua. Sin embargo, los artesanos caseros siguen fabricando estructuras de tambor a la antigua usanza, con materiales disponibles.

La siguiente selección de fotos le ayudará a conocer los pasos para construir la versión más simple de una minicentral hidroeléctrica:

Posiblemente, la falta de optimización afecte los indicadores de eficiencia, pero el costo del equipo casero resultará varias veces más barato que el análogo comprado. Por lo tanto, la rueda hidráulica es la opción más popular para organizar su propia minicentral hidroeléctrica.

Condiciones para la instalación de una central hidroeléctrica

A pesar del atractivo bajo costo de la energía generada por el hidrogenerador, es importante tener en cuenta las características del recurso hídrico cuyos recursos usted planea utilizar para sus propias necesidades.

Porque no cualquier curso de agua es adecuado para la operación de una minicentral hidroeléctrica, menos aún durante todo el año, por lo que no está de más tener en reserva la posibilidad de conexión a la red centralizada.

Varios pros y contras

Las principales ventajas de una central hidroeléctrica individual son evidentes: equipo económico que genera electricidad barata y, además, no daña la naturaleza (a diferencia de las presas que bloquean el flujo del río). Aunque no se puede considerar el sistema completamente seguro – después de todo, los elementos giratorios de las turbinas pueden causar lesiones a los habitantes del mundo submarino e incluso a las personas.

Para prevenir accidentes, la central hidroeléctrica debe ser cercada, y si el sistema está completamente oculto por el agua, se debe instalar una señal de advertencia en la orilla.

Ventajas de la minicentral hidroeléctrica:

1. A diferencia de otras fuentes de energía «gratuitas» (paneles solares, aerogeneradores), los sistemas hidroeléctricos pueden funcionar independientemente de la hora del día y del clima. Lo único que puede interferir es la congelación del cuerpo de agua.
2. Para instalar un hidrogenerador no es necesario tener un río grande – las mismas ruedas hidráulicas se pueden usar con éxito incluso en arroyos pequeños (¡pero rápidos!).
3. Las instalaciones no emiten sustancias nocivas, no contaminan el agua y funcionan prácticamente en silencio.
4. Para la instalación de una minicentral hidroeléctrica de hasta 100 kW no es necesario tramitar documentación de permisos (aunque todo depende de las autoridades locales y del tipo de instalación).
5. El exceso de electricidad se puede vender a las casas vecinas.

En cuanto a las desventajas, una corriente insuficiente puede convertirse en un serio obstáculo para la operación productiva del equipo. En ese caso, será necesario construir estructuras auxiliares, lo que conlleva costos adicionales.

Si la energía potencial del río cercano, según un cálculo aproximado, no es suficiente para generar electricidad en un volumen adecuado para su aplicación práctica, vale la pena prestar atención a los métodos de construcción de aerogeneradores. Un molino de viento servirá como un complemento eficaz.

Medición de la fuerza del flujo de agua

Lo primero que hay que hacer para considerar el tipo y método de instalación de la estación es medir la velocidad del flujo de agua en la fuente elegida.

La forma más sencilla es dejar caer cualquier objeto ligero en la corriente (por ejemplo, una pelota de tenis, un trozo de poliestireno o un flotador de pesca) y cronometrar el tiempo que tarda en nadar hasta algún punto de referencia. La distancia estándar para el «nado» es de 10 metros.

Si el cuerpo de agua está un poco lejos de la casa, se puede construir un canal de derivación o una tubería, y de paso también ocuparse de los desniveles de altura.

Ahora se debe dividir la distancia recorrida en metros entre el número de segundos; esa será la velocidad de la corriente. Pero si el valor obtenido es inferior a 1 m/s, será necesario construir estructuras artificiales para acelerar el flujo mediante desniveles de altura.

Esto se puede lograr con una presa desmontable o un tubo de desagüe estrecho. Pero sin una buena corriente, habrá que renunciar a la idea de la central hidroeléctrica.

Construcción de una central hidroeléctrica basada en una rueda hidráulica

Por supuesto, ensamblar «de manera improvisada» y erigir una enorme máquina destinada a dar servicio a una empresa o a un poblado, aunque sea de una docena de casas, es una idea de ciencia ficción. Pero construir con sus propias manos una minicentral hidroeléctrica para ahorrar electricidad es completamente real. Además, se pueden utilizar tanto componentes prefabricados como materiales disponibles.

Por lo tanto, consideremos paso a paso la fabricación de la estructura más simple: la rueda hidráulica.

Materiales y herramientas necesarios

Para hacer una minicentral hidroeléctrica con sus propias manos, es necesario preparar una soldadora, una amoladora, un taladro y un conjunto de herramientas auxiliares: un martillo, un destornillador y una regla.

De los materiales se necesitarán:

• Ángulos y chapa metálica de al menos 5 mm de espesor.
• Tubos de PVC o acero galvanizado para fabricar las paletas.
• Generador (se puede usar uno comprado ya listo o hacerlo usted mismo, como en este ejemplo).
• Discos de freno.
• Eje y cojinetes.
• Madera contrachapada.
• Resina de poliestireno para el vertido del rotor y el estator.
• Cable de cobre de 15 mm para el generador casero.
• Imanes de neodimio.

Tenga en cuenta que la estructura de la rueda estará en contacto constante con el agua, por lo que los elementos metálicos y de madera deben seleccionarse con protección contra la humedad (o encargarse usted mismo de su impregnación y pintura). Idealmente, la madera contrachapada puede sustituirse por plástico, pero las piezas de madera son más fáciles de conseguir y darles la forma necesaria.

Montaje de la rueda y fabricación de la tobera

La base de la rueda puede ser dos discos de acero del mismo diámetro (si es posible conseguir un tambor de acero de cable, excelente, acelerará mucho el proceso de montaje).

Pero si no se encuentra metal entre los materiales disponibles, también se pueden cortar círculos de madera contrachapada impermeable, aunque la resistencia y la vida útil incluso de la madera tratada no se comparan con el acero. Luego, en uno de los discos, debe cortarse un agujero circular para la instalación del generador.

Después de esto, se fabrican las paletas, y se necesitarán al menos 16 unidades. Para ello, los tubos galvanizados se cortan longitudinalmente en dos o cuatro partes (dependiendo del diámetro). Luego, los cortes y la superficie de las paletas deben lijarse para reducir las pérdidas de energía por fricción.

Las paletas se instalan inclinadas aproximadamente 40-45 grados; esto ayudará a aumentar la superficie sobre la que actuará la fuerza del flujo.

La distancia entre los dos discos laterales debe ser lo más cercana posible a la longitud de las paletas. Para marcar la ubicación de los futuros cubos, se recomienda hacer una plantilla de madera contrachapada, en la que se indique el lugar para cada pieza y los agujeros para fijar la rueda al generador. El marcado terminado se puede fijar en la parte exterior de uno de los discos.

Luego, los discos se colocan paralelos entre sí mediante varillas roscadas, y las paletas se sueldan o se fijan con pernos en las posiciones adecuadas. El tambor girará sobre rodamientos, y como soporte se utiliza un bastidor de perfiles angulares o tubos de pequeño diámetro.

En esta etapa, el montaje del tambor puede considerarse terminado; solo queda equiparlo con un generador casero y una boquilla que dirija el flujo de agua.

La boquilla está diseñada para fuentes de agua en cascada; esta instalación permitirá aprovechar al máximo la energía del flujo. Este elemento auxiliar se fabrica doblando chapa metálica y luego soldando las costuras, y luego se monta en un tubo.

Sin embargo, si en su zona fluye un río de llanura sin rápidos ni otras obstrucciones de altura, no es necesario este componente.

Es importante que el ancho de la abertura de salida de la boquilla coincida con el ancho de la rueda; de lo contrario, parte del flujo irá 'en vacío' sin llegar a las paletas.

Ahora la rueda debe montarse en el eje y colocarse sobre un soporte de ángulos soldados o atornillados. Solo queda hacer el generador (o instalar uno ya hecho) y se puede ir al río.

Generador hecho por uno mismo

Para fabricar un generador casero, es necesario hacer el bobinado y el encapsulado del estator, para lo cual se necesitarán bobinas con 125 vueltas de alambre de cobre cada una. Después de conectarlas, toda la estructura se encapsula con resina de poliéster.

Cada fase consta de tres bobinas conectadas en serie, por lo que la conexión se puede hacer en forma de estrella o triángulo con varias salidas externas.

Ahora hay que preparar una plantilla de madera contrachapada que coincida en tamaño con el disco de freno.

En un anillo de madera se realiza el marcado y se hacen ranuras para colocar los imanes (en este caso se usaron imanes de neodimio de 1,3 cm de grosor, 2,5 cm de ancho y 5 cm de largo). Luego, el rotor obtenido también se encapsula con resina y, después del secado, se une al tambor de la rueda.

Rueda hidráulica con rotor de discos de freno y generador de bobinas de alambre de cobre: pintada, presentable y lista para su uso.

Por último, se monta una carcasa de aluminio con amperímetro que cubre los rectificadores. La tarea de estos elementos es convertir la corriente trifásica en corriente continua.

Después de instalar la rueda en la corriente de un pequeño río con cascada o tubería de derivación, se puede esperar un rendimiento de la mini central hidroeléctrica de 1,9 A * 12 V a 110 revoluciones por minuto.

Para evitar que entren hojas, arena y otros desechos arrastrados por la corriente en la rueda, es recomendable colocar una malla protectora delante del dispositivo.

También se puede experimentar con los espacios entre los imanes y las bobinas con un mayor número de vueltas para aumentar la eficiencia de la central hidroeléctrica.

Sobre todos los tipos de fuentes de energía alternativas usted aprenderá al leer el artículo dedicado a la implementación de “tecnologías verdes” en la vida cotidiana.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video #1. Ejemplo de una instalación hidroeléctrica en funcionamiento con un generador casero basado en un motor trifásico:

Video #2. Mini central hidroeléctrica construida según el principio de la rueda hidráulica:

Video #3. Estación basada en una rueda de bicicleta: una interesante opción para solucionar el problema del suministro de energía durante unas vacaciones lejos de la civilización:

Como puede ver, construir una minicentral hidroeléctrica con sus propias manos no es tan difícil. Pero como la mayoría de los cálculos y parámetros de sus componentes se determinan 'a ojo', debe estar preparado para posibles averías y costos asociados.

Si siente que le faltan conocimientos y experiencia en este ámbito, vale la pena confiar en especialistas que realizarán todos los cálculos necesarios, recomendarán el equipo óptimo para su caso y realizarán su instalación de manera profesional.

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