Подробно описывать, для чего может понадобиться микро-ГЭС , смысла нет – ответы на этот вопрос очевидны. Коротко скажем лишь, что из общеизвестных альтернативных источников энергии – солнечные генераторы, ветро- и гидроэлектростанции – последние являются потенциально наиболее мощными при меньшей себестоимости. Кроме того, вы не зависите от погодных факторов – ветра или солнца.

Значимым плюсом самодельной микро-ГЭС является также относительная дешевизна и доступность материалов. Покупка заводской ГЭС может обойтись вам в 1000-10000$,

Однако именно мини-ГЭС являются наиболее сложными в проектировании и изготовлении, особенно для неподготовленного человека. Например, энтузиасту Лукмону Ахмедову (Таджикистан) для изготовления собственного варианта электростанции потребовалось около 2 лет. При написании данной статьи мы постарались изложить достаточно подробно и наглядно весь процесс, по шагам. Надеемся, с нашей помощью у вас это займет гораздо меньше времени.

Виды микро ГЭС

Отметим сразу, что в этой статье речь будет идти об изготовлении бесплотинных микро-ГЭС своими руками. Устройство плотины – сложная и дорогостоящая задача, также вам придется потратить немало времени на согласование с властями. С бесплотинными ГЭС все гораздо проще: они экологичнее, а их основной недостаток – меньшая мощность – не критичен, ведь энергия нам нужна для частных, относительно небольших, нужд.

Отдельно отметим, что под «микро-ГЭС» подразумевают агрегат мощностью до 100КВт.

Итак, бесплотинные ГЭС бывают 4 видов: «гирляндная» ГЭС, «водяное колесо», ротор Дарье и «пропеллерная». Также бесплотинные ГЭС часто называют «проточными» или «свободнопроточными».

• Гирляндная ГЭС была разработана советским инженером Блиновым в середине XX века. Она состоит из небольших турбин — гидровингроторов, нанизанных в виде бус на тросе, который переброшен через реку. Один конец троса прикреплен к опорному подшипнику, а второй — вращает вал генератора. Трос в данном агрегате выполняет задачу вала, чье вращение которого передается к валу генератора. К минусам гирляндной ГЭС можно отнести относительную дороговизну, опасность для окружающих (вполне вероятно, такой проект придется согласовывать с властями, соседями) и невысокую выходную мощность.
• Водяное колесо устанавливается перпендикулярно поверхности воды и погружено в воду менее, чем наполовину. Приводить его в действие можно двумя способами: либо течение воды давит на лопасти в нижней части колеса, заставляя его вращаться, либо же поток воды падает на колесо сверху (см. фото ниже). КПД последнего варианта намного выше. При изготовлении турбины этого типа основным вопросом является грамотный выбор формы лопастей, которая позволит наиболее эффективно использовать энергию воды.
• Ротор Дарье представляет собой вертикальный ротор с лопастями специальной конструкции. Благодаря ей поток воды давит на лопасти с разной силой, за счет чего и происходит вращение. Данный эффект можно сравнить с подъемной силой крыла самолета, которая возникает вследствие разности давлений над и под крылом.
• Пропеллер по своей конструкции схож с пропеллером ветрогенератора (отсюда, собственно, и название) или винтом корабля. Однако лопасти подводного пропеллера, как правило, намного уже, что позволяет использовать энергию потока более эффективно. Например, для реки со скорость течения 1-2 м/с достаточно ширины в 2 сантиметра. Подобная конструкция хорошо подходит для быстрых и глубоких рек. Важный момент: для безопасности купальщиков и туристов обязательно установите заграждение и предупреждающий буй. Установка крутится достаточно быстро и может нанести серьезные травмы

На наш взгляд, для изготовления микро-ГЭС своими руками оптимально использовать пропеллерную конструкцию или конструкцию типа «водяное колесо». Отметим, что в агрегатах заводского производства турбины обоих типов имеют достаточно сложную форму (т.н. «турбина Каплана, «турбина Пелтона» и др.), позволяющую получить максимум КПД для различных типов потока. Однако при «домашнем» производстве изготовить такие турбины сложно.

Немного теории о микро ГЭС и базовые расчеты.

Следующим шагом является расчет и измерение скорости потока. Определять ее на глазок весьма рискованно – очень легко ошибиться, поэтому отмерьте вдоль берега 10-20 метров, бросьте в воду поплавок (щепку, небольшой мячик) и отмерьте время, за которое щепка проплывет дистанцию. Делим дистанцию на время – получаем скорость течения. Как показывает практика, если она меньше 1 м/с – устройство микро-ГЭС в данном потоке может быть неоправданным. Если мы планируем получать энергию за счет перепада высот, то мощность можно примерно рассчитать по следующей формуле:

Мощность N=k*9.81*1000*Q*H,

где k — КПД системы (обычно составляет 20%-50%); 9,81 (м/сек2) — ускорение свободного падения; H – перепад высот;

Q — расход воды (м3/сек); 1000 — плотность воды (кг/м3).

Как видно из формулы, мощность прямо пропорционально зависит от скорости. Если река имеет несколько рукавов, ответвлений, то стоит измерить скорость во всех и выбрать поток, имеющий наибольшую скорость и глубину. Учтите, что измерения необходимо делать в безветренную погоду.

Найти ширину и глубину реки в метрах. Упрощенно принимаем, что поток в сечении имеет форму прямоугольника, тогда умножив площадь сечения на его скорость, получаем расход:

Q = a*b*v. Т.к. на самом деле сечение водяного потока имеет меньшую площадь, то полученное значение стоит умножить на 70%-80%.

Если у нас уже есть готовый генератор, то можно оценить возможный рабочий радиус колеса и необходимый коэффициент мультипликации.

Радиус колеса (м) = Скорость потока (м/с) / Частота вращения колеса (Гц). Частоту вращения колеса мы можем оценить, зная рабочую частоту генератора (обычно в «об/мин») и предполагаемый коэффициент редукции.

Практика: строим микро-ГЭС сами

Теперь пришла очередь спроектировать и изготовить турбину. Ниже мы опишем особенности постройки микро-ГЭС типа «водяное колесо». Данную конструкцию выгодно использовать, если у нас есть возможность организовать перепад высот для потока (или такой перепад уже существует, например, это сточная труба из пруда). Как уже было сказано выше, особое внимание следует обратить на форму лопастей. Если использовать колесо с лопастями в виде плашек (см. фото ниже, в данном случае лопасти установлены под углом 45 градусов), то КПД такой установки будет очень невелик.

Лучше использовать лопасти вогнутой формы, которые можно получить, например, из ПВХ или металлической трубы, разрезав ее вдоль на 2 или 4 части. Как показывает практика, лопастей должно быть не меньше 16. Чтобы разрезать трубу максимально прямо, проведите вдоль поверхности маркировочные линии. Также можно прикрепить 2 параллельно расположенных деревянных бруска и использовать их как направляющие. Поверхность лопаток следует отшлифовать, иначе часть энергии воды будет тратиться на трение.

В качестве самого колеса можно использовать пустую катушку из-под кабеля, либо же просто изготовить диски соответствующего диаметра. Расстояние между дисками соответствует длине лопастей. Соединяем диски вместе и вырезаем полукруглые пазы для установки лопастей. Как вариант, лопасти можно приварить. Если конструкция небольшого размера, то для защиты от мусора можно использовать сетку, прикрепленную перед колесом. В случае, когда вода падает на лопасти сверху, но при этом поток достаточно широкий есть смысл изготовить сопло (см. фото ниже), благодаря которому будет использоваться вся энергия потока. На фотографии выше видно, что сточная труба узкая сама по себе, поэтому необходимости в применении сопла нет. В любом случае поток должен падать на водяное колесо сверху, примерно на 10 часов, если представить колесо в виде циферблата часов.

В качестве опорной конструкции можно использовать сварную металлическую раму. Для повышения КПД попробуйте, если есть такая возможность, поварьировать расположение колеса: ближе-дальше, выше-ниже относительно входящего потока.

Теперь нам необходимо смонтировать повышающий редуктор (мультипликатор). Подойдет как шестеренчатый, так и цепной. Какой именно мультипликатор применить, и какой коэффициент редуцирования необходим – зависит от мощности потока, эксплуатационных характеристик колеса и генератора. Рассчитать коэффициент очень просто – рабочее количество оборотов генератора делим на количество оборотов колеса в минуту. Иногда приходится использовать 2 редуктора разных типов. Для передачи вращения от колеса на редуктор или генератор используется труба, карданный вал или другой похожий элемент.

В качестве генератора подбирается любой подходящий двигатель, при этом желательно, чтобы он был синхронным. Для асинхронного придется добавлять конденсаторы, работающие по схеме «звезда» или «треугольник». Характеристики конденсаторов зависят от напряжения сети и параметров двигателя. Основной проблемой при использовании асинхронного двигателя будет поддержание постоянного количества оборотов. Если же оно изменяется – придется менять и конденсаторы, что может быть весьма хлопотным.

Регулярный рост цен на электроэнергию заставляет многих задумываться над вопросом альтернативных источников получения электричества. Одно из лучших решений в данном случае - гидроэлектростанция. Поиски решения данного вопроса касаются не только масштабов страны. Все чаще можно увидеть мини-гидроэлектростанции для дома (дачи). Затраты в таком случае будут только на строительство и техническое обслуживание. Минус подобного сооружения в том, что его возведение возможно только в определенных условиях. Необходимо наличие водяного потока. К тому же возведение данной конструкции у себя во дворе требует разрешения местных органов власти.

Схема мини-гидроэлектростанции

• Русловые, характерные для равнин. Они устанавливаются на реках с несильным потоком.
• Стационарные используют энергию водных рек с быстрым потоком воды.
• ГЭС, устанавливающиеся в местах перепада водного потока. Встречаются чаще всего в промышленных организациях.
• Мобильные, которые строятся с применением армированного рукава.

Для строительства ГЭС достаточно даже небольшого ручья, протекающего по участку. Владельцы домов с центральным водоснабжением не должны отчаиваться.

Одной из американских компаний разработана станция, которую можно встраивать в водоснабжающую систему дома. В водопровод встраивается турбина маленьких размеров, которая приходит в движение за счет потока воды, двигающегося самотеком. Это снижает скорость потока воды, но снижает себестоимость электроэнергии. К тому же данная установка полностью безопасна.

Устраиваются даже мини-гидроэлектростанции в канализационной трубе. Но их строительство требует создания определенных условий. Вода по трубе должна стекать естественным образом за счет уклона. Второе требование - диаметр трубы должен быть подходящим для устройства оборудования. А это невозможно сделать в отдельно стоящем доме.

Классификация мини-ГЭС

Мини-гидроэлектростанции (дома, в которых они используются, в большинстве относятся к частному сектору) чаще всего относятся к одному из следующих типов, которые различаются принципом работы:

• Водяное колесо - традиционный тип, который наиболее прост в исполнении.
• Пропеллер. Используют в тех случаях, когда река имеет русло шириной более десяти метров.
• Гирлянда устанавливается на реках с несильным потоком. Для усиления скорости течения воды используют дополнительные сооружения.
• Ротор Дарье устанавливается обычно на промышленных предприятиях.

Распространенность этих вариантов обусловлена тем, что они не требуют строительства плотины.

Водяное колесо

Это классический вид ГЭС, который наиболее популярен для частного сектора. Мини-гидроэлектростанции данного типа представляют собой большое колесо, способное вращаться. Его лопасти опускаются в воду. Вся остальная часть конструкции находится над руслом, заставляя двигаться весь механизм. Мощность передается через гидропривод генератору, вырабатывающему ток.

Пропеллерная станция

На раме в вертикальном положении располагается ротор и подводный ветряк, опускаемый под воду. Ветряк имеет лопасти, которые вращаются под воздействием потока воды. Лучшее сопротивление оказывают лопасти шириной два сантиметра (при быстром потоке, скорость которого, тем не менее, не превышает двух метров в секунду).

В данном случае лопасти приводятся в движение за счет возникающей а не за счет давления воды. Причем направление движения лопастей перпендикулярно направлению течения потока. Этот процесс похож на работу ветровых электростанций, только работает под водой.

Гирляндная ГЭС

Данного типа мини-гидроэлектростанции представляют собой трос, натянутый над руслом и закрепленный в опорном подшипнике. На нем в виде гирлянды навешены и жестко закреплены турбины небольшого размера и веса (гидровингроторы). Они состоят из двух полуцилиндров. За счет совмещения осей при опускании в воду в них создается крутящий момент. Это приводит к тому, что трос изгибается, натягивается и начинает вращаться. В данной ситуации трос можно сравнивать с валом, который служит для передачи мощности. Один из концов троса соединен с редуктором. На него и передается мощность от вращения троса и гидровингроторов.

Повысить мощность станции поможет наличие нескольких «гирлянд». Их можно соединить между собой. Даже это не сильно повышает КПД данной ГЭС. Это один из минусов подобного сооружения.

Еще один недостаток данного вида - создаваемая им опасность для окружающих. Подобного рода станции допустимо использовать только в безлюдных местах. Наличие предупредительных знаков обязательно.

Ротор Дарье

Мини-гидроэлектростанция для частного дома данного вида названа так в честь ее разработчика - Жоржа Дарье. Запатентована данная конструкция была еще в 1931 году. Представляет собой ротор, на котором находятся лопасти. Для каждой из лопастей в индивидуальном порядке подбираются нужные параметры. Ротор опускается под воду в вертикальном положении. Лопасти вращаются за счет перепада давления, возникающего под действием протекания по их поверхности воды. Этот процесс подобен подъемной силе, заставляющей самолеты взлетать.

Данный вид ГЭС имеет хороший показатель КПД. Втрое преимущество - направление потока не имеет значение.

Из недостатков данного можно выделить сложную конструкцию и непростой монтаж.

Преимущества мини-ГЭС

Независимо от вида конструкции мини-гидроэлектростанции обладают рядом преимуществ:

• Экологически безопасны, не вырабатывают вредных для атмосферы веществ.
• Процесс получения электричества проходит без образования шума.
• Вода остается чистой.
• Электричество вырабатывается постоянно, вне зависимости от времени суток или погодных условий.
• Для обустройства станции достаточно даже небольшого ручья.
• Излишек электроэнергии можно продать соседям.
• Не нужно много разрешающей документации.

Мини-гидроэлектростанция своими руками

Построить для получения электроэнергии можно самостоятельно. Для частного дома достаточно двадцати киловатт в сутки. С таким значением справится даже мини-ГЭС, собранная своими руками. Но при этом следует помнить, что данный процесс характеризуется рядом особенностей:

• Точные расчеты провести достаточно трудно.
• Размеры, толщина элементов выбирается «на глаз», только опытным путем.
• Самодельные сооружения не имеют защитных элементов, что приводит к частым поломкам и связанным с этим затратам.

Поэтому если нет опыта и определенных знаний в данной сфере, лучше отказаться от идеи подобного рода. Дешевле может оказаться приобретение уже готовой станции.

Если все же решаетесь делать все своими руками, то начинать необходимо с измерения скорости потока воды в реке. Ведь от этого зависит мощность, которую можно получить. Если скорость будет меньше одного метра в секунду, то строительство мини-гидроэлектростанции в данном месте не оправдает себя.

Еще один этап, который нельзя опускать - это расчеты. Необходимо тщательно рассчитать размер затрат, которые уйдут на строительство станции. В результате может оказаться, что гидроэлектростанция - не лучший вариант. Тогда стоит обратить внимание на другие виды альтернативной электроэнергии.

Мини-гидроэлектростанция может стать оптимальным решением в вопросе экономии затрат на электроэнергию. Для ее строительства необходимо наличие реки недалеко от дома. В зависимости от желаемых характеристик можно подобрать подходящий вариант ГЭС. При правильном подходе выполнить подобное сооружение можно даже своими руками.

Экология потребления.Наука и техника:Создаваемые своими руками домашние гидрогенераторы по мощности сравнимы с солнечными батареями и ветряками, но производят гораздо больший объем электроэнергии.

Поскольку тарифы на электроэнергию в последнее время начали расти, все большую актуальность среди населения приобретают возобновляемые источники электроэнергии, позволяющие получать электричество практически бесплатно. Среди известных человечеству подобных источников стоит выделить солнечные батареи, ветрогенераторы, а также домашние гидроэлектростанции. Но последние являются достаточно сложными, ведь работать им приходится в очень агрессивных условиях. Хотя это вовсе не говорит, что мини-ГЭС своими руками соорудить невозможно.

Чтобы сделать все правильно и качественно, главное – подобрать правильные материалы. Они должны обеспечивать максимальную долговечность работы станции. Создаваемые своими руками домашние гидрогенераторы, мощность которых сравнима с аналогичной у солнечных батарей и ветряков, могут производить гораздо больший объем энергии. Но хотя от материалов и зависит многое, на них все не заканчивается.

РАЗНОВИДНОСТИ МИНИ-ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Существует большое количество разнообразных вариаций мини-ГЭС, каждая из которых имеет свои преимущества, особенности и недостатки. Выделяют следующие виды этих устройств:

• гирляндную;
• пропеллерную;
• ротор Дарье;
• водяное колесо с лопастями.

Гирляндная ГЭС состоит из троса, на котором закреплены роторы. Такой трос перетягивают через реку и погружают в воду. Поток воды в реке начинает вращать роторы, которые в свою очередь крутят трос, на одном конце которого расположен подшипник, а на втором – генератор.

Следующий вид – это водяное колесо с лопастями. Его устанавливают перпендикулярно водной глади, погружая меньше чем наполовину. Поскольку поток воды воздействует на колесо, оно вращается, и заставляет крутиться генератор для мини-ГЭС, на котором закреплено это колесо.

Что касается пропеллерной ГЭС, то представляет она собой ветряк, расположенный под водой с вертикальным ротором. Ширина лопастей у такого ветряка не превышает 2 сантиметров. Подобной ширины для воды хватает, ведь именно такой номинал позволяет производить максимальное количество электроэнергии при минимальном сопротивлении. Правда, эта ширина оптимальна только для скорости потока до 2 метров в секунду.

Что касается других условий, то параметры лопастей ротора рассчитывают отдельно. А ротор Дарье является вертикально расположенным ротором, действует который по принципу перепада давления. Все происходит аналогично с крылом самолета, на который воздействует подъемная сила.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Если рассматривать гирляндную ГЭС, то у нее имеется ряд очевидных недочетов. Во-первых, длинный трос, используемый в конструкции, представляет опасность для окружающих. Также большую опасность представляют скрытые под водой роторы. Ну а вдобавок, стоит отметить низкие показатели КПД и большую материалоемкость.

Что касается недостатков ротора Дарье, то чтобы устройство начало вырабатывать электроэнергию, его нужно предварительно раскрутить. Правда, при этом отбор мощности производится прямо над водой, так что как бы ни изменился поток воды, генератор будет вырабатывать электричество.

Все вышеперечисленное является факторами, которые делают более популярными гидротурбину для мини-ГЭС и водяные колеса. Если рассматривать ручное сооружение подобных устройств, то они не так уж и сложны. А в добавок, при минимальных затратах такие мини-ГЭС способны выдавать максимальные показатели КПД. Так что критерии популярности очевидны.

С ЧЕГО НАЧИНАТЬ СТРОИТЕЛЬСТВО

Возведение мини-ГЭС своими руками стоит начинать с измерения скоростных показателей течения рек. Это делается очень просто: достаточно отметить вверх по течению расстояние в 10 метров, взять в руки секундомер, бросить щепку в воду, и засечь время, за которое она пройдет отмеренную дистанцию.

В конечном итоге, если 10 метров разделить на количество затраченных секунд, получится скорость реки в метрах в секунду. Стоит учитывать, что нет толку сооружать мини-ГЭС в местах, в которых скорость потока не превышает 1 м/с.

Если нужно разобраться, как делают мини-ГЭС в местности, где небольшая скорость реки, то можно попытаться добиться увеличения потока путем организации перепада высот. Сделать это можно через установку сливной трубы в водоем. При этом диаметр трубы будет непосредственно влиять на скорость потока воды. Чем меньше будет диаметр, тем быстрее будет течение.

Подобный подход позволяет организовать мини-ГЭС даже в том случае, если возле дома будет проходить небольшой ручеек. То есть на нем организовывается разборная плотина, ниже которой производится монтаж непосредственно мини-гидроэлектростанции для питания дома и бытовых приборов. опубликовано

На очереди - конструкции, прообразом которых послужила свободнопоточная (образца 1964 года) гирляндная ГЭС В. Блинова.

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),

N - мощность на рабочем валу (Вт),
- р - плотность воды (1000 кт/м3),
- V - скорость течения реки (м/с),
- F - площадь сечения активной (погружаемой) части рабочего органа гидромашины (м2),
- n - КПД преобразования энергии.

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, изложенной . 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 миниГЭС) скоростью течения реки.

Рис.1. Роторы Савониуса для самодельных гирляндных миниГЭС:

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

Далее необходимо определить размер активном части гидромашины и её тип. Так как вся миниГЭС 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 миниГЭС (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 миниГЭС.

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 микроГЭС 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 миниГЭС 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 миниГЭС - 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:
1 - лонжерон-основание (брус 150x100, 2 шт.), 2 - поперечина нижняя (доска 150x45, 2 шт.), 3 - поперечина средняя (брус 150х120, 2 шт.), 4 - стояк (кругляк диаметром 100, 4 шт.), 5 лонжерон верхний (доска 150x45, 2 шт.), 6 - поперечина верхняя (доска 100x40, 4 шт.), 7 - вал промежуточный (нержавеющая сталь, пруток диаметром 30), 8 - блок шкивов, 9 - генератор постоянного тока, 10 - «гусак» с фарфоровым роликом и двужильным изолированным проводом, 11 - плита-основание (доска 200x40), 12 - шкив ведущий, 13 - узел деревянного подшипника (2 шт.), 14 - ротор «гидроэнергогирлянды» (D600, L1000, 2 шт.), 15 диск (из сбитых в щит досок толщиной 20-40 мм, 3 шт.); металлические элементы крепления (включая растяжки, ступицы крайних дисков) условно не показаны.

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 миниГЭС 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 сельхоз удобрения, 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 миниГЭС 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:
1 - скоба обжимная (Ст3, полоса 50x8, 4 шт.), 2 - поперечина рамы средняя, 3 - вкладыш-обжимка (из твёрдых пород дерева, 2 шт.), 4 вкладыш сменный (из твёрдых пород дерева, 2 шт.), 5 - болт М10 с гайкой и шайбой Гровера (4 компл.), 6 - шпилька М8 с двумя гайками и шайбами (2 шт.).

В качестве электрогенератора в рассматриваемой микроГЭС 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 миниГЭС 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 миниГЭС 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 микроГЭС 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

Для начала определимся с принципом работы и типами небольших ГЭС. Течение реки или падающий водный поток вращает лопасти турбины и гидропровод, который соединен с электрогенератором ‑ последний и вырабатывает электроэнергию. Современные компактные ГЭС имеют автоматическое управление с возможностью мгновенного перехода на ручной режим в случае аварийной ситуации. Конструкции современных заводских ГЭС позволяют свести к минимуму производство строительных работ при монтаже оборудования.

Виды мини гидроэлектростанций

К мини электростанциям относятся генерирующие устройства мощностью от 1 до 3000 кВт. Принципиально ТЭС состоит из:

1. турбины (водозаборного устройства);
2. генерирующего блока;
3. системы управления.

По типу водных ресурсов, используемых для генерации, мини ГЭС бывают:

• Русловые. Такие станции строятся на небольших равнинных реках с водохранилищами.
• Горные. Стационарные станции, которые используют энергию быстрого горного течения.
• Промышленные. Станции, использующие перепады потока воды на промпредприятиях.
• Мобильные. Станции, использующие для водного потока армированные рукава.

Плотинные типы станций отличаются высокой мощностью, но строительство плотины обходится дорого, да и без разрешений в этом случае не обойтись. Связываться с чиновниками в нашей стране – не просто усложнить себе жизнь, а ставить под сомнение реализацию самых благих намерений, поэтому откажемся от этой затеи сразу.

Как работает мини ГЭС

Принципиальную схему работы ГЭС можно выбрать из нескольких вариантов:

• Гирляндная ГЭС. С одного берега реки на другой под водой проложен трос с нанизанными на него роторами. Течение вращает роторы и, соответственно, сам трос. Один конец троса в подшипнике, другой соединен с генератором.
• Пропеллер. Подводная конструкция, напоминающая ветряк с узкими лопастями и вертикальным ротором. Лопасть шириной всего 20 мм при большой скорости вращения обеспечит минимальное сопротивление. Лопасть такой ширины выбирается при скорости потока 0,8–2, 0 м в сек.
• Водяное колесо. Колесо с лопастями, частично погруженное в поток, и расположенное под прямым углом к поверхности воды. Поток воды давит на лопасти, вращая колесо.
• Ротор Дарье. Вертикальный ротор со сложными поверхностями лопастей. Жидкость, обтекая лопасти, создает разное давление, за счет чего происходит вращение.

На фото мини ГЭС на основе водяного колеса

Как оценить потенциальную мощность мини ГЭС

До строительства мини гидроэлектростанции своими руками нужно определить мощность, на которую можно рассчитывать. Существует справочное соотношение между скоростью потока воды и мощностью, которая может сниматься с вала в кВт при диаметре винта 1 м.

Скорость потока определяется замером времени, за которое щепка, брошенная в воду, пройдет определенное расстояние. Сделав несложные расчеты, получим скорость потока в метрах в секунду. Если в данном случае скорость менее 1 м/сек, то строительство ГЭС будет экономически нецелесообразно.

При скорости потока 2,5 м/с мощность составит 0,86 кВт, при 3 м/с – 1,24 кВт, при 4 м/с – 2,2 кВт. Соотношение описывается зависимостью: мощность ГЭС пропорциональна кубу скорости потока воды. Если скорость потока на участке предполагаемого строительства мала, ее можно попытаться увеличить устройством перепада высот потока или установкой сливной трубы с изменяемым диаметром на выходе из водоема. Чем меньше будет диаметр трубы на выходе, тем больше получится скорость потока.

Как сделать мини ГЭС в домашних условиях

Принцип работы небольшой самодельной ГЭС можно понять на примере велосипеда с фарой и динамо-машиной (генератором).

1. Из кровельного железа делаем три лопасти длиной, равной радиусу велосипедного колеса (расстоянию от центральной втулки до обода колеса) и шириной 3-4 см.
2. Устанавливаем лопасти между спицами колеса, загнув для крепления край лопасти вокруг спиц. Лопасти должны быть выставлены равномерно с сохранением одинаковых углов между ними.
3. Погружаем колесо с лопастями в быструю реку на глубину от трети до половины диаметра колеса. Вырабатываемой электроэнергии будет достаточно, например, для освещения палатки.

Чертеж одного из вариантов строительства мини ГЭС

Примером может служить небольшая ГЭС для фермерского хозяйства мощностью 3-5 кВт из подручных материалов:

1. Ротор можно сделать из старого металлического кабельного барабана диаметром 2,2 м. При помощи болгарки и сварки под углом 45 градусов к радиусу нужно вварить 18 лопастей. Вращается ротор на подшипниках. Опора – труба металлическая или уголок.
2. На роторе нужно установить цепной редуктор с передаточным числом (коэффициентом передачи) 4. Далее вращение будет передаваться через карданный вал ВАЗ 2101. Использование кардана уменьшит вибрацию, а также соосность привода и генератора при использовании вала будет некритичной.
3. Понадобятся повышающий редуктор (коэффициент – 40) и трехфазный генератор. Скорость вращения генератора около 3000 об/мин. Общий коэффициент редукции двух редукторов составит 40 х 4 = 160. Генератор следует закрыть кожухом для защиты от влаги и безопасности. Расчетное вращение водяного колеса должно составить около 20 оборотов в минуту.
4. Под генератор можно приспособить асинхронный двигатель, а блок управления взять от любого небольшого станка. Понадобится кабель ВВГ НГ 2х4 длиной от ротора до фермерских построек.

Выводы

Суммарные расходы на изготовление составят около 10-15 тысяч рублей. Основная статья расходов – заработная плата сварщику и рабочему, помогающим сделать и собрать конструкцию.

Главными преимуществами такого оборудования являются низкая стоимость электроэнергии, экологическая безопасность, неисчерпаемость источника энергии и простота конструкции.