Бесплотинные гэс

Нужна ли гидроэлектростанции плотина? — алтайский изобретатель предлагает строить бесплотинные мини-ГЭС из подручных материалов.

21.09.2006 10:08

Россия традиционно занимает одно из ведущих мест в мировом гидроэнергостроении. В советское время были созданы десятки научно-исследовательских институтов и проектных фирм, занимавшихся исключительно проблемами строительства ГЭС. На смену небольшим гидроэлектростанциям времен плана ГОЭЛРО пришли мощные сооружения волжских и сибирских энергетических гигантов. Последнее время в труднодоступных регионах востребованы так называемые малые ГЭС. Поэтому нет ничего странного в том, что большое число отечественных изобретений относится именно к области гидроэнергетики.
Однако и тут появляются новшества, способные удивить даже опытных специалистов. В первую очередь это касается не столько даже усовершенствования традиционных гидроагрегатов (а здесь энергомашиностроителям есть чем похвастаться), сколько вообще принципиально иного взгляда на добычу энергии с помощью воды. Так, например, алтайский бизнесмен, бывший владелец топливной компании «Южная Сибирь» Н. И. Ленев создал бесплотинную гидроэлектростанцию (патент РФ N 2166664), аналогов которой, с точки зрения экономичности и простоты конструкции, в мире нет.
Обсуждение этого проекта, состоявшееся по инициативе Благотворительного фонда им. Н. А. Львова на заседании Комиссии РАН по энергоаккумулирующим системам в прошлом году, вызвало живейший интерес всех присутствующих. И неспроста: по капитальным затратам на получение 1 кВт электроэнергии установка рентабельнее существующих агрегатов почти на порядок.
Принцип весла
«Я решил построить на Алтае ГЭС, — сообщает Николай Ленев в интервью одной из местных газет.- Соответственно, стал изучать, как такие электростанции строятся. И увидел, что 90% стоимости строительства?- это стоимость дамбы. А поскольку занимался бизнесом, конечно, меня заинтересовало, как построить ГЭС, не тратя эти 90%.
Решение пришло неожиданно.
Я переезжал на пароме реку Бия. Он двигался за счет весла. Маленького весла было достаточно, чтобы перевезти «КамАЗ» весом 20 тонн. Любого заинтересует такая мощь.
Несколько месяцев думал, как использовать принцип весла для получения энергии. В итоге пришло решение, кажущееся до гениальности простым. Представьте старинное мельничное колесо, в которое вставили второй вал, растянули до состояния гусеницы и положили набок, расположив лопасти под определенным углом. Только если у мельничного колеса работала только одна лопасть, то в этой конструкции работает все. Лопасти движутся, поэтому происходит не торможение, а ускорение.
Я специально обратился в Алтайский ЦНТИ. Они продали мне копии всех изобретений по гидроэнергетике. Я изучил их и могу точно сказать: ничего подобного изобретено еще не было».
Образец новой ГЭС появился в 2000 году. Мощность небольшой станции размером 5 на 12,5 метра — 10 тысяч киловатт. А изготовить ее можно в домашних условиях из любых подручных материалов: дерева, пластмассы, алюминия, железа. При этом от материала будет зависеть только срок ее эксплуатации. Двухсотметровая баржа, например, по подсчетам изобретателя, может вырабатывать до 500 мегаватт энергии. При этом бесплотинная электростанция экологически не только безопасна, но и полезна: она насыщает воду кислородом.
Опытный образец Николай Иванович собрал в сарае из подручных материалов. Весил он чуть больше 20 килограммов и позволял освещать и отапливать все домашнее хозяйство.
Еще не так давно через многие реки ходили паромы, привязанные к переброшенному с берега на берег тросу. К днищу такого парома крепился жесткий стальной лист под углом 45 градусов к набегающему водному потоку. Течение реки двигало паром поперек. Чтобы отправиться назад, достаточно было развернуть стальной лист на 90 градусов.
Ленев точно так же разместил дощечки под углом 45 градусов к течению реки. Соединил их велосипедной цепью?- получился замкнутый контур, бесконечно вращаемый набегающим потоком. Осталось соединить цепь с валом, на котором расположен генератор.
Кстати, было сделано более десяти модификаций устройства, причем одно из них — цельнодеревянное, где цепь заменена деревянными роликами.
Все дело в лопастях
Кандидат технических наук В.Шаров так рассказывает о принципе работы бесплотинной ГЭС:
«В плавучем корпусе из легкого материала установлены на вертикальных валах зубчатые колеса, в зацепление с которыми входят цепи (в общем случае вместо цепей могут использоваться гибкие элементы, охватывающие валы или барабаны) с закрепленными на них под углом 20-50 градусов к направлению потока прямоугольными лопастями. Указанный диапазон угла выбран исходя из следующих условий: при значениях угла меньше 20 градусов давление потока на лопасти оказывается недостаточно эффективным, а больше 50 градусов — резко увеличивается гидравлическое сопротивление установки. Лопасти закреплены на гибком элементе с помощью шарнира в их средней части таким образом, чтобы межлопастные промежутки одной ветви перекрывались лопастями другой (встречной) ветви.
На передней и задней стенках каркаса закреплены по паре направляющих (по одной в нижней и верхней его частях), по которым лопасти скользят своим задним ребром. Один из валов последней секции соединен трансмиссией, включающей редуктор, с электрогенератором.
Работает устройство следующим образом. При положении установки фронтально к потоку горизонтальная составляющая сил давления на лопасти заставляет двигаться цепь, вращающую зубчатые колеса, установленные на валах, по часовой стрелке. При этом лопасти движутся своим задним ребром по направляющим, что позволяет сохранить постоянным угол расположения лопасти к направлению потока. В нижнем положении цепи, из-за наружного расположения направляющей на корпусе, плоскости также оказываются фронтальными к направлению потока. При этом звездочки вращают валы, один из которых соединен с электрогенератором. Благодаря расчетному количеству лопастей на гибком элементе, поток среды, прошедший между каждой передней парой лопастей, попадает на нижнюю лопасть, располагающуюся фронтально к потоку.
Перепад воды — без дамбы
Поток среды характеризуется весьма сложной динамикой, усугубляемой движением лопастей в противоположные стороны (что приводит к интенсивному перемешиванию потока). В результате на установке, состоящей из трех секций, число Рейнольдса, определяющее степень турбулентности потока, достигает 170 тыс. Соответственно, значителен перепад напоров на установке, которая, таким образом, играет роль плотины, утилизирующей энергию текущей среды. Если скорость среды на входе в установку всего 0,1 м/с, то на выходе из первой секции — 0,3 м/с, на выходе второй секции — 0,8 м/с, на выходе третьей секции — 2 м/с. Естественно, генератор ставят на вал 3-й секции. Интересно, что перепад напоров в потоке образуется не за счет подпора перед установкой, как в известных плотинных ГЭС, а за счет падения уровня за установкой. При этом дамбы в реке наращивать не надо, так как перепад естественным путем выравнивается за счет бокового потока среды за установкой.
При размещении на корпусе, выполненном в виде рамной конструкции, нескольких параллельно установленных секций (в одном каркасе рационально ставить минимум 3 секции) в смежном между ними пространстве образуются завихрения (встречные струи), резко повышающие гидравлические сопротивления потоку и, соответственно, создающие перепад напоров. В результате даже при низкой скорости реки внутри установки (между секциями) скорость потока значительно возрастает. Это позволяет в реке или ручье получать значительную мощность электростанции.
Число оборотов валов установки при средних скоростях водного потока в реках довольно низкое (45-60 об/мин). Поэтому для привода генератора можно успешно использовать стандартные редукторы с передаточным числом I = 50. Из-за низких скоростей вращения и водяной смазки весьма ограничен износ трущихся поверхностей, что упрощает эксплуатацию установок и делает их долговечными.
Шесть тысяч за киловатт
Экспериментальная установка длиной 1250 мм, шириной 1200 мм, глубиной 700 мм занимает 1 м3 объема реки. Площадь лопасти с размерами 50×20 см составляет 1000 см2. Это означает, что при перепаде напоров на установке всего в 10 см, т. е. Р = 0,01 кГ/см2, на лопасть будет действовать сила: F = SхР= 1000х0,01 = 10 кГ. Учитывая, что лопастей в установке несколько десятков, можно заключить, что действующие в ней силы весьма значительны. Расчеты, подтвержденные экспериментально, показывают, что при скорости воды в реке, равной 1 м/с, установка с приведенными выше размерами снимает N = 10,5 кВт, т. е. мощность, удовлетворяющую потребностям не только отдельного коттеджа, но и фермы.
Доступность материалов (доски, брусья, дверные петли для крепления лопастей на цепи и пр.) позволяет соорудить установку в любых условиях.
Практика показывает, что эксплуатация ее (защита от плавника, льда, заиления и т. п.) не ведет к значительным затратам, что позволяет иметь, учитывая довольно низкую стоимость изготовления, высокую рентабельность бесплотинной ГЭС. Примерная стоимость установки мощностью 10-20 кВт не превысит 120 тыс. руб., т. е. затраты на 1 кВт установленной мощности составят не более 6 тыс. руб., что почти на порядок меньше, чем для ныне проектируемых ГЭС.
Следует отметить и экологичность новых ГЭС. Если турбины действующих электростанций губят попавшую в них рыбу, что вызывает необходимость строительства дорогих рыбоходов, то установка Ленева спокойно пропускает стаи сквозь себя. Кроме того, получаемая экологически чистая энергия позволит снизить нагрузки на ТЭЦ, загрязняющие окружающую среду своими отходами.
Предварительный анализ результатов работы экспериментальных установок показывает, что снимаемая с них электроэнергия превышает расчетные значения. Изобретатель убежден, что своеобразные условия взаимодействия устройства с движущейся сложным образом энергично бурлящей средой вынуждают последнюю отдавать свою внутреннюю энергию (помимо энергии, определяемой силами земного тяготения, действующими на воду). А это означает, что описанная новация заслуживает проведения глубоких исследований, чему не помешает ее широкое практическое использование уже сегодня».
Элементы конструкции
Вот как описывает оригинальную конструкцию сам
«Мною разработан способ использования энергии любого водного потока (реки, ручья, приливов, морской волны и т. д.) и движения воздушных масс. Способ не требует строительства дамб, каналов и напорных труб.
Данный способ отъема мощности водного потока наиболее выгоден и с экологической точки зрения, так как, занимая от 1 до 10% площади естественного русла реки, он не препятствует свободному перемещению речной фауны и флоры, в отличие от существующих ГЭС.
Конструкция устройства представляет собой два ряда лопастей прямоугольной формы, оси которых делят их на две неравные части, большая из которых всегда под действием потока находится за осью дальше по потоку. Тем самым достигается минимальное ее вращение вокруг своей оси и, следовательно, наименьшие турбулентные завихрения. Верхние и нижние концы лопастей закреплены на замкнутых в кольца цепях ПРЛ (либо на любом другом гибком элементе). Цепи передают усилие через звездочки (рабочие колеса) на два вертикальных вала, с которых механическая энергия через гибкую муфту и промежуточный вал передается на валы электрогенераторов. Валы установки через подшипники скольжения (качения) жестко закреплены на каркасе с закрытыми на 2/3 боковыми и глухой нижней стенками, дополнительная вода из потока поступает через верх и 1/3 боковых стенок. В одном каркасе рационально размещать минимум три установки. Положение лопастей по отношению к основному потоку регулируется неподвижными направляющими для цепи и подвижными для большей из сторон лопасти. Меняя расстояние между подвижной направляющей для лопасти и неподвижной для цепи, мы задаем необходимый угол поворота между лопастью и направлением основного потока от 0 до 45 градусов, добиваясь тем самым оптимального режима работы установки либо останавливая ее полностью.
Таким образом, поток воздействует на лопасть фактически под углом 90 градусов. Один из валов установки имеет натяжное устройство, регулирующее натяжение цепей. Лопасти должны иметь свободу вращения на своих осях, а оси так же свободно вращаться в креплениях к цепям. Между лопастью и местом крепления к цепи на осях должны устанавливаться ролики, которые и будут катиться по неподвижным направляющим, удерживая тем самым цепь постоянно в перпендикулярном положении относительно направления основного потока.
Каждый кубометр — в дело!
Геометрические размеры такой детали, как звездочка (рабочее колесо), для установок любых габаритов желательно выдерживать в пределах 350-500 мм, так как от этого напрямую зависит число оборотов вала. Диаметр самого вала рассчитывается под каждые конкретные нагрузки и условия эксплуатации и колеблется от 25 до 50 мм. Размеры лопастей, их количество, а соответственно, и прочность цепи подбираются в зависимости от ширины и глубины реки, а количество установок по длине реки — от необходимой величины потребления.
Под принятые характеристики изготавливается соответствующий корпус, желательно из трубы, для получения дополнительной плавучести. Каркас делается разборным, что позволяет собирать его на месте эксплуатации без привлечения грузоподъемных механизмов.
Размеры блоков не ограничены, зависят от необходимой мощности и размеров реки. Например: объем 1 м3 (ширина 1200 мм, глубина 700 мм, длина 1250 мм) позволяет разместить 3 установки с 17 лопастями в каждой, имеющими ширину 150 мм и длину 500 мм (0,075 м2). А так как две лопасти всегда будут находиться на поворотах, то общая рабочая площадь одной установки составит 1,125 м2, а сумма трех в одном каркасе (1 м3 потока) — всего 3,375 м2!
Это позволяет наиболее полно использовать каждый кубический метр потока движущейся среды, а также возникающие центробежное и центростремительное ускорения, значительно увеличивающие как скорость движения потока, так и действие силы тяжести разделенного на секции потока движущейся среды, в нашем случае — реки.
Сломанный комбайн — не металлолом
В отличие от ныне существующих источников электроэнергии данная конструкция приемлема для ручного изготовления, монтажа и обслуживания. Она позволяет использовать комплектующие из отслужившей свой срок техники, например сельскохозяйственной, автотранспорта и т. д. Это многократно удешевляет изготовление изделия.
Установка может быть изготовлена из любых подручных материалов: дерева, пластмассы, алюминия, железа, титана — всего, что угодно. От материала будет зависеть только срок эксплуатации установки, на выработку электроэнергии это никак не повлияет. Стоит также обратить внимание на то, что число оборотов установки довольно низкое (45/60) и работает она постоянно в воде — т. е. износ материалов будет минимальным.
Один из главных вопросов, возникающих у специалистов — вопрос защиты от ила, мусора и т. д. Все решается очень просто — от бревен, веток и прочего крупногабаритного мусора можно защититься сеткой, а все остальное пройдет через установку.
В зимний период применяется давно используемый плотогонами способ поднятия теплых нижних слоев воды с помощью нескольких бревен перед установкой, имеющих на одном конце груз, а на другом?- поплавок. Вода, поднимаясь, размывает во льду необходимое пространство.
По моим расчетам, полная стоимость установки мощностью 20 кВт составит не более 50-120 тыс. руб., т. е. приблизительно до 6000 руб. за 1 кВт. Материалоемкость 1 кВт такой установки в зависимости от используемых материалов будет варьироваться от нескольких сотен граммов (пластмасса) до 2-3 кг (сталь). На монтаж и установку небольшой переносной установки потребуется приблизительно час. Если же речь идет о ГЭС мощностью в несколько мегаватт для крупного города или промышленного предприятия, то монтаж займет от года до трех — в зависимости от того, какие материальные средства будут отпущены».
«Гусеничная» энергия
В заключение хотелось бы привести выдержки из отзыва на изобретение старшего научного сотрудника ФИАН, кандидата физико- математических наук С. Д. Захарова:
«Принципиальная особенность изобретения — трансформация энергии водного потока в энергию поперечного движения цепи типа тракторной гусеницы, в которой прямоугольные пластины-траки ориентированы под углом 45 градусов к направлению течения. Пластины, действуя как паруса, заставляют двигаться цепь, а она вращает колеса, на которые натянута, — налицо обращение идеи гусеничного трактора. Техническое решение привлекает внимание не только оригинальностью, но и внутренней красотой. Каждая из пластин как бы «разлагает» вектор скорости набегающего потока на две равные взаимно перпендикулярные компоненты, которые затем, при надлежащем сдвиге фаз, могут давать круговое вращение.
Изобретение Н.И. Ленева заслуживает самого пристального внимания и поддержки со стороны лиц, отвечающих за развитие экономики страны. Практическое применение идеи обещает открыть доступ к дешевой энергии из практически неисчерпаемого источника. Не стоит смущаться тем, что некоторые параметры устройства, в особенности расстояние между рядами цепи, размерами и состоянием поверхности пластин, пока не оптимизированы — главное, найден ведущий принцип. Детальное научное обоснование, несомненно, актуально, оно на многое откроет глаза, но должно вестись параллельно, в тесном взаимодействии с инженерными разработками, которые целесообразно включить в планы самых неотложных мероприятий».

Евгений ХРУСТАЛЕВ, газета «Энергетика и промышленность сегодня», N 9 (

Интересную идею выдвинули горячие шведские конструкторы из компании Minesto. Вероятно, устав делать хорошие, но плохо продающиеся автомобили Saab, трудовой коллектив конструкторского подразделения автогиганта ударился в зеленые технологии. Группа Minesto сформировалась внутри Saab Group еще в 2003, именно с целью разработки приливных электростанций нового типа. В 2007 они выделились в самостоятельную компанию, цель которой — коммерциализация наработок в области возобновляемой энергетики.

Разработка, с которой компания собирается выйти на рынок, подкупает своей простотой. Многие примерно представляют себе принцип работы приливно-отливных электростанций. Напомню главное: во время морского (океанского) прилива или отлива относительно неподвижного дна перемещаются огромные массы воды. Перемещение происходит за счет гравитационного воздействия на нашу планету Луны и Солнца, а так же за счет вращения Земли и обусловленных этим вращением разнообразных эффектов. Энергия на такое перемещение требуется огромная и часть ее можно попытаться преобразовать во что-нибудь более полезное, например во вращательные движения приводов электрогенератора. Если сильно упростить, приливно-отливные электростанции конвертируют энергию гравитационных воздействий космических тел в электричество…PROFIT! Ваш зеленый друг природы напоминает, что, в силу особенностей извлечения полезной энергии, такие электростанции замедляют скорость вращения Земли, гравитационного взаимодействия с планеты с Луной и Солнцем, и кто его знает, чем все это обернется через миллион-другой лет, вдруг Солнце потухнет?

В любом случае, приливы и отливы, помимо фактического перемещения водных масс относительно дна, еще и формируют приливно-отливные течения в массах воды, в приливах и отливах участия не принимающих, что логично. Эти течения обычно выливаются в потоки, движущиеся в более спокойных водах со скорость до нескольких метров в секунду. Если установить на пути такого потока подобие привычного нам всем ветрогенератора (вроде мельницы), то его лопасти будут вращаться. Дальше под водой все как и на суше, только герметично. Лопасти вращают ротор редуктора, который передает вращательное движение на генератор, а тот по проводам выводит полезное электричество на сушу, где оно упаковывается в красивые коробки с надписью «Электричество «зеленое», второй сорт» и отправляется потребителям. почему второй, а не первый? Потому, что замедляет вращение планеты, что не позволяет считать его стопроцентно зеленым.

Из недостатков подобных конструкций следует отметить огромные размеры подводной части установки, включая фундамент и другие элементы капитального строительства, что ведет к удорожанию системы. Ведь скорость потоков невысока, а для того, чтобы обеспечить редуктор нормальным крутящим моментом (и, как следствие, повысить скорость вращения ротора генератора), нужно переводить во вращательное движение больше кинетической энергии потока, грубо говоря — больше движущейся водной массы, больше размеры и лопастей и их размах. По этому, высота подводного ветряка может достигать пяти-шести десятков метров. Строить под водой такие гигантские конструкции не просто, а если вспомнить что строить их нужно только в местах, где течение достаточно сильно, на небольшой глубине и на ровном рельефе дна, то становится понятно, что география применения таких установок достаточно ограничена.

Решение всех этих проблем и предлагает компания Minesto. Генератор «Deep Green» работает совсем по другому принципу. И здесь в основе технологии лежат те же принципы, что действуют на суше, в воздухе. Все видели или примерно представляют себе воздушного змея. Это такая конструкция в форме крыла, удерживаемая в воздухе давлением ветра на плоскость крыла под углом по направлению движения ветра. А чтобы змей не улетел, операторы – змееводы на земле держат его за веревку. Точно такой же фокус можно проделать и под водой. Только в роли ветра здесь выступают приливно-отливные течения, в роли змея — специальное крыло, а в роли веревки — трос с проводом, имеющий на конце якорь. В результате вся конструкция будет «парить» над дном вокруг точки, на которую опустится якорь троса.

Генерация электричества происходит предельно просто. В центре летающей части конструкции установлена турбина, ротор которой соединен с генератором на прямую. Сам генератор установлен тут же, в самом змее. Скорость вращения турбины позволяет обойтись без редуктора и других сложных устройств, обеспечивающих необходимую скорость вращения генератора. Хитрость здесь в следующем. Скорость передвижения змея относительно дна выше скорости движения потока воды в течении примерно в 10 раз, что обусловлено его конструкцией. Где-то так же летают и воздушные змеи. Генерируемое электричество передается по тросупроводу, которым змей удерживается возле точки установки на дне, а с этого троса на берег, где его упаковывают в красивые коробки с надписью «Электричество «зеленое», второй сорт», но продают уже дешевле.

В результате, такая конструкция имеет следующие преимущества, относительно обычного «подводного ветряка»:

— возможность работы с меньшими скоростями течений, как следствие — более широкая география применения;
— не нужно устанавливать на дне фундамент для башни ветряка, вообще не нужно ничего строить под водой;
— установка и демонтаж требуют только погружения якоря и крыла с последующим их извлечением практически любым судном, оборудованным краном;
— внешне, такие установки заметить будет сложно, так как устанавливаются они на большей глубине, чем традиционные подводные мельницы;
— прямая передача с турбины на генератор без редуктора означает более высокую надежность системы.

Ну и так зеленей, конечно же, хотя здесь тоже замедляется вращение Земли. Масса установки составляет всего 7 тонн при генерируемой мощности в 500 кВт! Да, пол мегаватта от одного змея, чего достаточно немало. Специалисты компании уже даже посчитали примерную стоимость киловатт-часов, выработанных при помощи своей установки. Для 0,5-мегаваттного модуля она составит 0,06-0,14 Евро, что сравнимо со стоимостью электроэнергии в Европе и точно дешевле, к примеру, солнечной электроэнергии. Так что, пожуем — увидим, главное, чтобы нашлись инвесторы, готовые в это вкладывать деньги. А пока компанией собраны два миллиона Евро и первый модуль будет установлен в водах Северной Ирландии к середине 2011 года.

Бесплотинные гидроэлектростанции (ГЭС) своими руками

Вариант №1

Самодельная Тросовая Гирляндная мини-ГЭС – отличное решение для получения доступной и недорогой электроэнергеии, если с местом вашего проживания есть небольшая река.

Конструкция гирляндой тросовой мини-ГЭС основано на вращении троса в русле реки.

Первые конструкции автономной простейшей ГЭС давно были воплощены в жизнь отдельными умельцами еще полвека назад. Еще в журнале «Радио» за 50-е годы печатали информацию про гирляндную ГЭС, выполненную а консервных банках и с генератором от авто!

Рис.1. Внешний вид тросовой гирляндой мини-ГЭС сделанной своими руками.

Как сделать тросовую гирляндную ГЭС своими руками?

На рисунке снизу показана схема конструкции простой тросовой гирляндной мини-ГЭС с турбинно-тросовым гидроприводом, который вращается от потока течения реки.

Рис.2 Схема и принцип работы Гирляндной мини-ГЭС

1. Подшипник, 2. Опора, 3. Металлический трос, 4. Гидроколесо (турбина),

5. Электрогенератор, 6. Уровень верхнего течения реки, 7. Русло реки.

В качестве гидроколёс (роторов),в тросовом гидроприводе мини-ГЭС можно использовать несколько «крыльчаток», изготовленных из тонкого металлического листа, диаметром около полуметра, по типу детской игрушки – пропеллера из квадратного листа бумаги. В качестве гибкого вала целесообразно использовать обычный стальной трос диаметром 10…15 мм.
Ориентировочные расчеты показывают, что от такой тросовой ГЭС, можно получить с одного гидроколеса до 1,5…2,0 кВт, при течении реки около 2,5 метра/сек!

Если опоры 2 с подшипниками 1 и электрогенератором 5 установить на дно реки, и подшипники с генератором поднять выше уровня реки, а всё это сооружение разместить по оси течения, то результат, практически будет тот же. Эта схема целесообразно применяется для очень «узких речек» но с глубиной более 0,5 метра. Тепловую энергию в такой ГЭС можно получить путем подключения электронагревателей к электрогенератору.

Роторы гирляндой ГЭС, как правило, располагаются в ядре потока (на 0,2 глубины от поверхности летом и 0,5 глубины от поверхности льда зимой). Глубина реки в месте установки гирляндой ГЭС не превышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м. вполне возможно использовать роторы, расположенные в два ряда.

Появление дач и даже фермерских хозяйств на бросовых, удалённых от электросети землях, галопирующий рост цен на топливо и электричество вызвали к жизни старые идеи автономного электроснабжения с широким использованием природной энергии солнца, ветра и воды. В том числе возрос интерес к мини- и микро-ГЭС.

Две из таких, приемлемых для постройки своими силами гидроэлектростанции: Микро-ГЭС своими руками и плавучая бесплотинная мини-ГЭС. На очереди — конструкции, прообразом которых послужила свободнопоточная (образца 1964 года) гирляндная ГЭС В. Блинова.

Дудышев В.Д.

Вариант №2

Гидроэлектростанции, о которых пойдет речь, свободнопоточные, с довольно-таки оригинальной турбиной из так называемых роторов Савониуса, нанизанных на общий (может быть и гибким, составным) рабочий вал. Плотин и прочих крупномасштабных гидротехнических сооружений для своей установки они не требуют. Способны работать с полной отдачей даже на мелководье, что в сочетании с простотой, компактностью и надёжностью конструкции делают эти ГЭС весьма перспективными для тех фермеров и садоводов, чьи участки земли расположены вблизи небольших водотоков (речек, ручьёв и канавок).

В отличие от плотинных свободнопоточные гидроэнергетические установки, как известно, используют только кинетическую энергию текущей воды. Для определения мощности здесь существует формула:

N=0,5*p*V3*F*n (1),

где:

Как видно из формулы 1, при скорости реки 1 м/с на один квадратный метр сечения активной части гидромашины приходится в идеале (когда n=1) мощность, равная всего 500 Вт. Эта величина явно мала для промышленного использования, но вполне достаточна для подсобного хозяйства фермера или дачника. Тем более что её можно нарастить путём параллельной работы нескольких «гидроэнергогирлянд».

И ещё одна тонкость. Скорость реки на разных её участках различна. А потому, прежде чем начать строительство миниГЭС, необходимо определить энергетический потенциал вашей реки по простой методике. Напомним лишь, что дистанция, пройденная измерительным поплавком и поделённая на время его прохождения, будет соответствовать средней скорости потока на данном участке. Следует также отметить: параметр этот в зависимости от времени года будет меняться.

Поэтому расчёт конструкции следует производить, руководствуясь средней (за планируемый период эксплуатации мини-ГЭС) скоростью течения реки.

Рис.1 Роторы Савониуса для самодельных гирляндных мини-ГЭС:

а, б — лопасти; 1 — поперечный, 2 — торцевой.

Далее необходимо определить размер активном части гидромашины и её тип. Так как вся мини-ГЭС должна быть максимально простой и несложном в изготовлении, наиболее подходящим типом преобразователя является ротор Савониуса торцевой конструкции. При работе с полным погружением в воду величину F можно принять равной произведению диаметра ротора D на его длину L, а n=0,5. Частоту же вращения f с приемлемой для практики точностью определяют по формуле:

f=48V/3,14D (об/мин) (2).

Чтобы сделать гидроэнергоустановку наиболее компактном, мощность, задаваемую при расчёте, следует соотнести с реальной нагрузкой, электропитание котором должна обеспечить мини-ГЭС (так как в отличие от ветродвигателя ток в сеть потребителя здесь будет выдаваться непрерывно). Как правило, эта электроэнергия идёт на освещение, питание телевизора, радио, холодильника. Причём только последний включается в работу в течение суток постоянно. Остальные же электроприборы работают главным образом вечером. Исходя из этого, целесообразно ориентироваться на максимальную мощность от одной «гидроэнергогирлянды» порядка 250-300 Вт, покрывая пиковую нагрузку при помощи аккумуляторной батареи, заряжаемой от мини-ГЭС.

Передача крутящего момента от рабочего вала гидроэнергоустановки на шкив электрогенератора осуществляется обычно при помощи промежуточной трансмиссии. Впрочем, этот элемент, строго говоря, может быть исключён, если используемый в конструкции микро-ГЭС генератор имеет рабочую скорость вращения менее 750 об/мин. Однако от связи напрямую приходится часто отказываться. Ведь для подавляющего большинства генераторов отечественного производства рабочая скорость вращения при начале «выдачи» мощности лежит в пределах 1500-3000 об/мин. Значит, нужно дополнительное согласование валов гидроэнергоустановки и электрического генератора.

Ну а теперь, когда предварительная теоретическая часть позади, рассмотрим конкретные конструкции, У каждой из них свои достоинства.

Вот, например, полустационарная свободнопоточная мини-ГЭС с горизонтальным расположением двух соосных, развёрнутых относительно друг друга на 90° (для облегчения самозапуска) и жёстко связанных роторов Савониуса поперечного типа. Причём основные детали и узлы этой самодельной гидроэнергетической установки — из дерева как наиболее доступного и «послушною» строительного материала.

Предлагаемая мини-ГЭС — погружная. То есть опорная рама её располагается поперёк водотока на дне и укрепляется тросами-растяжками или шестами (если рядом, например, имеются мостки, лодочный причал и т.п.). Делается это для того, чтобы избежать уноса конструкции самим водотоком.

Рис.2 Погружная мини-ГЭС с горизонтальным расположением роторов поперечного типа:

Разумеется, что глубина реки в месте установки мини-ГЭС должна быть меньше высоты опорной рамы. В противном случае весьма трудно (а то и невозможно) избежать попадания воды в электрический генератор. Ну а если место, где предполагается разместить мини-ГЭС, имеет глубину более 1,5 м или там сильно меняющиеся в течение года полноводность и скорость течения (что, кстати, достаточно типично для водотоков со снеговым питанием), то данную конструкцию рекомендуется оснастить поплавками. Это позволит также легко перемещать её при установке на реке.

Опорная рама мини-ГЭС представляет собой прямоугольный каркас из бруса, досок и небольших брёвен, скреплённых гвоздями и проволокой (тросами). Металлические части конструкции (гвозди, болты, хомуты, уголки и т.д.) должны быть по возможности из нержавеющей стали или других коррозионностойких сплавов.

Ну а поскольку эксплуатация подобной мини-ГЭС зачастую возможна в условиях России только сезонная (из-за замерзания большинства рек), то по истечении срока работы вся вытащенная на берег конструкция подлежит тщательному осмотру. Своевременно меняют подгнившие деревянные элементы, заржавевшие, несмотря на принятые меры предосторожности, металлические детали.

Одним из главных узлов нашей мини-ГЭС является «гидроэнергетическая гирлянда» из двух жёстко закреплённых (и составляющих единое целое на рабочем валу) роторов. Их диски легко выполнить из досок толщиной 20-30 мм. Для этого, составив из них щит, при помощи циркуля строят окружность диаметром 600 мм. После чего каждую из досок обрезают согласно получившейся на ней кривой. Сбив заготовки воедино на двух планках (чтобы придать требуемую жёсткость), повторяют все трижды — по числу требуемых дисков.

Что касается лопастей, то их целесообразно сделать из кровельного железа. А лучше — из подходящих по размеру и разрезанных пополам (вдоль оси) цилиндрических нержавеющих ёмкостей (бочек), в которых обычно хранят и перевозят сельхозудобрения, другие агрессивные материалы. В крайнем случае лопасти можно сделать и деревянными. Но вес их (особенно после длительного пребывания в воде) сильно возрастет. И об этом следует помнить при создании мини-ГЭС на поплавках.

На торцах «гидроэнергогирлянды» крепятся шиповые опоры. По сути, это короткие цилиндры с широким фланцем и торцевым пазом для шпонки. Фланец крепится к соответствующему диску ротора на четырёх болтах.

Для снижения трения предусмотрены подшипники, располагающиеся на средних поперечинах. А так как обычные шариковые или роликовые подшипники для работы в воде непригодны, используются… самодельные деревянные. Конструкция каждого из них состоит из двух хомутов и дощечек-вкладышей с отверстием для прохода шиповой опоры. Причём средние вкладыши подшипника располагают так, чтобы волокна древесины здесь шли параллельно валу. Кроме того, принимают особые меры, чтобы дощечки-вкладыши были жёстко зафиксированы от боковых смещений. Делают это при помощи стягивающих болтов.

Рис.3 Подшипник скольжения в сборе:

В качестве электрогенератора в рассматриваемой микро-ГЭС используется любой из автомобильных. Выдают они 12-14 В постоянного тока и без труда стыкуются как с аккумуляторной батареей, так и электроприборами. Мощность у этих машин около 300 Вт.

Вполне приемлема для самостоятельного изготовления и конструкция переносной мини-ГЭС с вертикальной компоновкой «гирлянды» и генератора. Такая гидростанция, по мнению автора разработки, наименее материалоёмка. Опорной конструкцией установки, фиксирующей её положение в русле реки, является стальной пустотелый стержень (например, из отрезков трубы). Длину его выбирают, исходя из характера дна водотока и скорости течения. Причём такой, чтобы острый конец стержня, вбитый в дно, гарантировал бы устойчивость мини-ГЭС и несрываемость её течением. Возможно и дополнительное использование растяжек.

Определив по формуле (1) активную поверхность ротора и замерив глубину реки в месте установки мини-ГЭС, легко рассчитать диаметр используемых здесь роторов Савониуса. Чтобы сделать конструкцию простой и самозапускающейся, целесообразно выполнить «гидроэнергогирлянду» из двух роторов, соединённых так, чтобы лопатки первого были на 90° смещены относительно второго (по оси вращения). Причём для повышения эффективности работы конструкция со стороны набегающего потока оборудована щитком, играющим роль направляющего аппарата. Ну а рабочий вал крепится в подшипниках скольжения верхней и нижней опор. В принципе при коротком времени эксплуатации мини-ГЭС (например, в туристическом походе) можно использовать и шарикоподшипники большого диаметра. Однако при наличии в воде песка или ила после каждого использования узлы эти придётся промывать в чистой воде.

Рис. 4 Мини-ГЭС с вертикальным расположением роторов торцевого типа:

1 — штанга-опора, 2 — узел нижнего подшипника, 3 -диск «гидроэнергогирлянды» (3 шт.), 4 — ротор (D600, 2 шт.), 5 — узел верхнего подшипника, 6 — вал рабочий, 7 — трансмиссия, 8 — электрогенератор, 9 — «гусак» с фарфоровым роликом и двужильным изолированным проводом, 10 — хомут крепления генератора, 11 — подвижный щиток-направляющая; а, б — лопасти: растяжки на верхнем конце штанги-опоры условно не показаны.

Крепление опор к стержню болтовое и сварное, в зависимости от веса «гидроэнергогирлянды» и необходимости её разборки на части. Верхний конец рабочего вала гидромашины одновременно является и входным валом мультипликатора, в качестве которого (как наиболее простой и технологичный) может быть применён ременный.

Электрогенератор берётся опять-таки автомобильный. К стержню опоры его легко прикрепить хомутом. А сами провода, идущие от генератора, должны иметь надёжную гидроизоляцию. На иллюстрациях точные геометрические пропорции промежуточной трансмиссии условно не показаны, так как зависят от параметров конкретного, имеющегося у вас генератора. Ну а ремни для трансмиссии можно изготовить из старой автомобильной камеры, разрезав её на ленты шириной 20 мм с последующей скруткой в жгуты.

Для электроснабжения малых деревень подойдет гирляндная мини-ГЭС конструкции В.Блинова, представляющая не что иное, как цепочку бочкообразных роторов Савониуса диаметром 300-400 мм, закреплённых на гибком тросе, протянутом поперёк реки. Один конец троса крепится к шарнирной опоре, а другой через простейший мультипликатор к валу генератора. При скорости течения 1,5-2,0 м/с цепочка роторов делает до 90 об/мин. А малые размеры элементов «гидроэнергогирлянды» позволяют эксплуатировать эту микро-ГЭС на реках с глубиной менее одного метра.

Надо сказать, что В.Блинову до 1964 года удалось создать несколько переносных и стационарных мини-ГЭС своей конструкции, крупнейшей из которых была ГЭС, сооружённая у деревни Порожки (Тверская область). Пара гирлянд здесь приводила во вращение два стандартных автотракторных генератора общей мощностью 3,5 кВт.

МК 10 1997 И. Докунин

Вариант № 3

Самодельная Гидроэлектростанция (ГЭС) маленькой речке без плотины.

Известно, что электричество вырабатывает генератор, вал которого вращает двигатель. Двигатель ГЭС устроен просто: на раме из бревен укреплены стойки с двумя коленчатыми валами А и Б (см. рис. 3).

Каждый вал имеет три колена, углы между которыми равны 120°. Коленчатые валы соединены штангами, к которым прикреплены лопатки. На рисунке 1 вы видите, что в данный момент все лопатки штанги В находятся внизу, они погружены в воду и под ее напором перемещаются назад (вправо). Лопатки двигают штангу, а штанга, в свою очередь, поворачивает коленчатые валы. Как только колена, соединенные этой штангой, начнут подниматься вверх, в воду погружаются лопатки штанги Г. Теперь уже они вступают в работу. Затем начнут работать лопатки штанги Д. К этому времени лопатки первой штанги В пройдут над поверхностью водьі и снова опустятся в воду. Вот так и будет работать двигатель электростанции Логина.

Если насадить на конец одного из коленчатых валов шкив и соединить его ременной передачей со шкивом генераторе постоянного тока, генератор начнет вырабатывать электричество. А если к ведущему шкиву приделать шатун и соединить его с насосом, двигатель будет качать воду на пришкольный участок, на ваш огород.

Мощность двигателя зависит не только от скорости течения воды, но и от числа и площади лопаток, то есть от геометрических размеров самого двигателя. А его можно сделать любых размеров, соответственно пропорционально увеличивая или уменьшая размеры его деталей.

Рис. 1 Основные размеры частей мини гэс без плотины.

Мы даем чертежи двигателя, который при скорости течения воды в 0,8—1 метр в секунду будет вращать генератор от легкового автомобиля. Напряжение, вырабатываемое генератором, 12 В, а мощность — до 150 Вт.

Рис.2 Основные узлы самодельной ГЭС без плотины.

Прежде чем приступать к постройке гидростанции, в мастерской или в магазине, где продаются запчасти для автомобилей, подберите генератор. Заготовьте материалы: доски, бревна небольшого диаметра, стальную проволоку, крепеж. Подберите место, где будет находиться электростанция. Желательно, чтобы это был прямой участок реки. Здесь надо определить скорость течения. Делается это так. На выбранном участке длиной 15—20 метров наметьте два поперечных створа. После этого при помощи небольшого поплавка, например щепки, определите скорость течения воды. Поплавок следует бросать в воду немного выше верхнего створа и, следя за ним, по секундомеру отсчитать время прохождения поплавка от верхнего створа до нижнего. Надо сделать 10—15 таких замеров, бросая поплавок то дальше, то ближе к берегу, и по результатам замеров подсчитайте среднюю скорость течения реки. Если она лежит а пределах 0,8—1 м/с, смело приступайте к строительству.

Рис.3. Коленчатые валы мини ГЭС без плотины.

Как сделать наиболее сложные детали мини ГЭС без плотины. Коленчатый вал мини Гэс без плотины.

Его можно изготовить из цельного стального прута диаметром 16—20 мм. Но легче сделать его сборным (рис. 3). Сначала нарежьте из прута заготовки деталей 1, 2, 3 и 4. Щечки колен сделайте из стальной полосы толщиной 5 мм. На концах стержней запилите квадраты, а в щечках — квадратные отверстия. После соединения деталей квадраты расклепываются. Сначала следует собрать части коленчатого вала «а» и «б» (см. рис. 3). Затем надо разметить и выпилить квадраты на свободных концах стержней 2 и 3 так, чтобы среднее колено (после сборки) было расположено под углом 120° по отношению к крайним.

Штанги с лопатками мини-ГЭС без плотины.

Штанги рекомендуем сделать из деревянных реек, лопатки — из теса или кровельного железа. Лопатки прикрепляются к штангам с помощью вертикальных планок и проволочных растяжек (см. рис. 2).

Устройство передачи мини-ГЭС без плотины.

Коленчатый вал, а следовательно, и ведущий шкив будут вращаться со скоростью примерно один оборот в две секунды. Генератор же может вырабатывать электрический ток при 1000—1500 оборотах в минуту. Чтобы получить такое число оборотов на генераторе, нужна передача из шкивов разного диаметра (см. рис.).

Желобчатые шкивы изготовляются из фанеры толщиной 5 мм. Для каждого шкива следует выпилить по пять кругов. Они сбиваются гвоздями или стягиваются шурупами. Ведущий шкив, который прочно укрепляется на конце коленчатого вала, должен иметь диаметр не менее 700 мм. Два промежуточных прибиваются друг к другу и свободно надеваются на ось. Они должны легко вращаться на этой оси. Если скорость вращения ведущего шкива будет 30 оборотов в минуту, то диаметр малого промежуточного шкива можно принять равным 140 мм, а большого — 600 мм. Тогда шкив генератора (диаметром 60 мм) будет вращаться со скоростью 1500 оборотов в минуту. При других числах оборотов ведущего шкива диаметры промежуточных шкивов будут другие. Подсчитать их размеры вам поможет учитель труда.

Приводные ремни мини-ГЭС без плотины.

Шкивы передачи соединяются приводными ремнями. Чтобы ремни всегда были хорошо натянуты, сделайте их из резинового жгута. Старую автомобильную камеру разрежьте на длинные ленты. Каждую ленту скрутите в жгут, а концы склейте резиновым клеем и туго перевяжите шпагатом.

Регулировка мини-ГЭС без плотины.

После сборки механизма проверьте, свободно ли вращаются штанги. Поворачивая ведущий шкив рукой, заметьте, какая из штанг препятствует вращению коленчатых валов. После этого снимите штангу и увеличьте одно из отверстий для шейки колена так, чтобы оно стало немного продолговатым.
В. Кивоносов, В. Слащилина

Вариант №4

Если подсчитать всю энергию, которую могут дать 25 тысяч больших и малых рек, протекающих по нашей стране, получится сказочная цифра. Однако энергия далеко не всех рек еще используется нами.

На большинстве рек можно построить небольшие недорогие безплотинные гидроэлектростанции (ГЭС). Мощность таких электростанций невелика, но достаточна для электрификации дома и даже небольшого поселка.

На реках со скоростью течения 0,8 метра в секунду и больше можно установить бесплотинный гидродвигатель нового типа. Принцип действия этого двигателя ясен из приложенных рисунков и схем.

Под напором воды лопатки перемещают штанги, движение которых приводит во вращение кривошип. На его валу сидит шкив.

Вращение шкива и передается генератору. Мощность двигателя зависит от скорости течения воды.

В местах, где скорость течения небольшая, нужно сузить русло реки. Конструкция гидродвигателя, например на 3,5 киловатта, настолько проста, что его можно сделать в любом школьном кружке или мастерской.

М. Логин

Гидроэлектростанция (ГЭС)

Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока.
Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.
Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы 2 основных фактора: круглогодичная гарантированная обеспеченность водой и наличие больших уклонов реки.
Принцип работы ГЭС.
Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Необходимый напор воды формируется строительством плотины, что приводит к концентрации реки в определенном месте, или естественным током воды (деривацией), или использованием совместно и плотины, и деривации.
В здании ГЭС располагается все энергетическое оборудование.
В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию, и дополнительное оборудование: устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.
ГЭС разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:
мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;
средние — до 25 МВт;
малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.
Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов.
Особенностью ГЭС является цикличность мощности в зависимости от природных факторов.
Различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.
ГЭС делятся в зависимости от максимального использования напора воды:
высоконапорные — более 60 м;
средненапорные — от 25 м;
низконапорные — от 3 до 25 м.
Принцип работы используемых в ГЭС турбин един.
Вода, находящаяся под давлением (напор воды), поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться.
Механическая энергия, передается на гидрогенератор, который вырабатывает электроэнергию.
Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.

На высоконапорных ГЭС применяются ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами.
На средненапорных ГЭС применяются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины.
На низконапорных ГЭС применяются поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах.

ГЭС делятся в зависимости от принципа использования природных ресурсов:
На русловых ГЭС напор воды создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку.

Такие гидроэлектростанции на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.

Вода подается непосредственно к турбинам ГЭС.

На приплотинных ГЭС напор воды также создается при полном перегораживании плотины, здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части.

Вода, имеющая большее давление, нежели на русловых ГЭС, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели.

На деривационных ГЭС необходимая концентрация воды посредством деривации.

Вода подводится непосредственно к зданию ГЭС.

На гидроаккумулирующих ГЭС (обозначаемых ГАЭС) вырабатываемая электроэнергия аккумулируется и используется в моменты пиковых нагрузок.

В течение времени не пиковой нагрузки агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии, когда её стоимость не высока (например, ночью), и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны.

В моменты пиковых нагрузок вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.

В состав ГЭС могут входить шлюзы, судоподъемники, , рыбопропускные, ирригационные водозаборные сооружения и др.

Для производства электрической энергии используются возобновляемые природные ресурсы, поэтому конечная стоимость получаемой электроэнергии ниже, чем при использовании других видов электростанций, и нет вредных выбросов в атмосферу.

Однако построить ГЭС можно только там, где можно создать большой напор воды.
Создаваемые при этом водохранилища обычно заливают большую территорию земли, иногда это приводит к нарушению экологического равновесия.

Бесплотинные гэс

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *