Мини ГЭС – это малая гидроэлектростанция, которая вырабатывает не большое количество электрической энергии.

Принцип работы мини ГЭС

Принцип работы малых гидроэлектростанций ничем не отличается от принципа работы станций большой мощности. Вода водного образования, реки, озера, водохранилища, под действием напора, создаваемого своей массой, перемещается в заданном направлении и поступает на лопасти гидравлической турбины. Турбина передает свое вращательное движение на вращательное движение генератора, который вырабатывает электрический ток.
Напор воды создается путем строительства плотины или естественным течением воды, либо обоими способами одновременно.

Классификация устройств

Малыми считаются гидроэлектростанции вырабатывающие мощность до 5,0 МВт.
Существующие малые гидроэлектростанции классифицируются по:

1. Принципу действия

  • Использование «водяного колеса» – в этом случае приемное колесо помещается в водную среду параллельно поверхности воды, при этом погружается лишь частично. Водные массы осуществляя давление на лопасти колеса, приводят его во вращательное движение, которое передается на вращательное движение генератора.
  • Гирляндная конструкция – в данной варианте устройства с противоположных берегов прокладывается трос, на который жестко крепятся роторы. Массы воды поступательно перемещаясь вращают роторы. Вращательное движение роторов передается на трос, который, в свою очередь, вращаясь передает свое вращательное движение на вращательное движение генератора. Генератор устанавливается на берегу.
  • С ротором Дарье – основой работы устройств данного типа является разность давлений на лопастях ротора. Разность давлений создается путем обтекания водой сложных поверхностей ротора.
  • С пропеллером – принцип действия аналогичен работе ветрового генератора, с разницей в том, что в случае мини ГЭС лопасти помещены в водную среду.

2. Возможности применения

  • Промышленное использование (180 кВт и выше) — используются для электроснабжения предприятий или реализации потребителям.
  • Коммерческое использование (до 180 кВт) — используют для электроснабжения мало энергоемких предприятий и группы домов.
  • Бытовое использование (до 15 кВт) — используются для электроснабжения индивидуальных домов и малых объектов.

3. По конструкции турбины

  • Осевые – в агрегатах этой конструкции вода движется вдоль оси турбины и попадет на лопасти, которые приходят во вращение.
  • Радиально-осевые – в этой конструкции вода изначально движется радиально по отношению оси турбины, а затем в соответствии с осью ее вращения.
  • Ковшовые — вода поступает на поверхность ковша (лопатки) через сопла, благодаря которым скорость воды увеличивается, она ударяется о лопатку турбины, турбина вращается, в работу вступает следующая лопатка и процесс продолжается
  • Поворотно-лопастные — лопасти поворачиваются вокруг своей оси одновременно с вращением турбины.

4. По условиям монтажа

Плюсы и минусы устройства

К преимуществам использования можно отнести:

  • Экологическую безопасность установок для окружающей среды;
  • Неисчерпаемый источник энергии;
  • Низкая стоимость вырабатываемой энергии;
  • Автономность работы установок;
  • Надежность установок;
  • Продолжительный срок эксплуатации.

К минусам использования относятся:

  • Потенциальная опасность для обитателей водных объектов;
  • Ограниченная возможность условий монтажа установки.

Производители установок и оборудования

Производством оборудования для мини ГЭС занимается ограниченное количество предприятий как в нашей стране, так и за рубежом. Объясняется это ограниченностью применения малых гидроэлектростанций обусловленную малым наличием необходимых водных объектов, а также тенденциями развития энергетики в разных странах.

Из зарубежных фирм успешно работающих в этой области бизнеса это

  • «CINK Hydro-Energy» Республика Чехия – выполняет весь комплекс работ от проектирования и поставки оборудования, до монтажа и запуска установок в работу.
  • «Micro hydro power» Китай – производит и реализует комплекты оборудования для небольших установок бытового применения.
  • Инженерно-техническая фирма ОсОО «Гидропоника» г. Бишкек, Кыргызстан. Компания производит и реализует гидрогенераторы для малых ГЭС.

В России на этом рынке работают

  • ООО «АЭнерджи» г. Москва. Компания занимается поддержкой развития альтернативных источников энергии. В области малой гидроэнергетики компания предлагает весь спектр услуг от проектирования до сервисного обслуживания сданных установок.
  • Межотраслевое научно-техническое объединение «МНТО ИНСЭТ» г. Санкт-Петербург. Фирма занимается проектированием и разработкой оборудования для мини ГЭС, изготовлением и монтажом своей продукции. В линейке выпускаемой продукции имеется:
    • Мини ГЭС с пропеллерным рабочим колесом мощность от 5,0 до 100 кВт;
    • Мини ГЭС с диагональным рабочим колесом, мощностью 20,0 кВт;
    • Мини ГЭС с ковшовым рабочим колесом мощностью до 180 кВт;
    • Гидроагрегаты для малых ГЭС.
  • Компания «НПО Инверсия» г. Екатеринбург. Фирма производит оборудование и комплекты мини ГЭС мощностью до 10 кВт.

Мини ГЭС своими руками

Для того чтобы изготовить своими руками необходима смекалка, умение работать руками и водный объект,
да кое-что по мелочам, как то автомобильный генератор, колесо от любого средства передвижения и передаточный механизм (шкивы, шестерни, зубчатая передача).

В начале необходимо изготовить водяное колесо. Для этого берется колесо от велосипеда, мотоцикла или автомобиля. По диаметру колеса крепятся лопасти, для это можно использовать любой материал, лишь бы он был прочным и не гнулся – железо, фанера, твердый пластик, эбонит и т.д. Крепить лучше всего болтовым соединением, чтобы была возможность заменить поврежденные в процесс работы лопасти. Лопасти располагаются на равном расстоянии друг от друга.

Изготавливается каркас, на котором закрепляется колесо. В местах крепления к каркасу необходимо предусмотреть установку подшипников в которые вставляется ось вращения колеса. На один конец оси монтируется большой шкив или большая по размеру звездочка. На ось генератора насаживается малый шкив или меньшая звездочка.

Вариант самодельной мини ГЭС с вертикальной установкой колеса

Колесо помещается в воду, это может быть вертикальная установка в плоскости перпендикулярной поверхности воды, либо горизонтальная – когда колесо погружается в воду целиком. Во втором случае необходимо учесть, что колесо должно быть погружено в воду не более чем на 2/3 толщины диска.
Шкивы между собой соединяются посредством ремня, а звездочки посредством цепи.

Система готова к работе.

Мини ГЭСпредставляет собой небольшую гидроэлектростанцию, которая вырабатывает относительно малое количество электрической энергии. Данное оборудование не имеет четко обозначенного понятия, единственной его характеристикой выступает мощность. По своему принципу работы малые гидроэлектростанции практически ничем не отличаются от станций, которые вырабатывают большую мощность. Вода здесь также выступает в качестве источника силы, которая и вращает лопасти турбины.

Необходимость использования подобного оборудования часто вызвана отсутствием полноценного снабжения электричеством, а также ростом тарифов на электрическую энергию. При наличии реки или даже речки и грамотном подходе к установке данного оборудования вполне можно обеспечить электроэнергией целый дом или даже небольшого поселения. В некоторых случаях даже при небольшой скорости речки можно создать необходимый поток воды с помощью создания перепадов высот.

Виды

Мини ГЭСможет выдавать разную мощность электрической энергии, это зависит от ее типа и разновидности применяемого оборудования.

Исходя из типа водяных потоков, могут применяться следующие виды гидроэлектростанций:
  • Русловые . В большинстве случаев их можно наблюдать на равнинах. Их ставят на реках, где вода имеет небольшой поток.
  • Стационарные . Их применение свойственно местам, где реки имеют быстрый поток воды. Это позволяет рассчитывать на получение большей энергии воды.

  • Гидроэлектростанции , которые ставятся в точках перепада водяного потока. В большинстве случаев их можно наблюдать поблизости от промышленных предприятий и организаций.

  • Мобильные установки . В большей части случаев они сооружаются с использованием рукава из армированных материалов. Для мобильных гидроэлектростанций часто достаточно лишь небольшого ручейка.


По принципу функционирования Мини ГЭС бывают:
  • «Водяное колесо» . Это значит, что колесо с лопатками располагается параллельно текущей поверхности воды, но в то же время в воде находится только часть колеса. Водная масса оказывает давление, в результате чего колесо начинает вращаться. Указанное вращение заставляется вращаться генератор.

  • Мини ГЭС в виде гирляндной конструкции предполагает укладку троса или оси между двумя берегами. На нем жестко устанавливаются роторы. Под действием перемещения водных масс роторы начинают вращаться. Их вращение также передается тросу, оно же в итоге передается генераторной установке. Она стоит на поверхности берега.
  • Установка с ротором Дарье . Принцип данного устройства базируется на использовании разности давлений, возникающих на лопастях ротора. Вызывается такая разность вследствие обтекания водой сложно устроенных плоскостей ротора.

  • Установка с пропеллером . Данное устройство напоминает , однако в данном случае лопасти установки находятся в воде.


По разновидности конструкций устройства турбины могут быть:
  • Осевыми . В них вода направляется по оси турбины и идет на лопасти, что и приводит во вращение турбину.
  • Радиально-осевыми . Здесь вода первоначально направляется радиально к оси, а впоследствии по оси ее вращения.
  • Ковшовыми . В данном случае вода направляется на лопатки (ковш) посредством сопел, где происходит увеличение скорости воды. Ударяясь о лопатки, турбина приводится во вращение.
  • Поворотно-лопастными . В данном случае лопасти вращаются вокруг оси вместе с турбиной.
В зависимости от условий монтажа данное оборудование может быть:
  • Низконапорными, они предполагают перепад высот до 25 м.
  • Средненапорными, они предполагают перепад высот в пределах 25-60 м.
  • Высоконапорными, они предполагают перепад высот выше 60 м.
Устройство

Гирляндная гидроэлектростанция выполнена из турбин, которые имеют небольшой вес. Они нанизываются на трос в виде гирлянды. Данный трос перебрасывается через реку и крепится в опорных подшипниках. Эти подшипники обеспечивают свободное вращение и возможность раскручивания вала генератора.

Турбины, которые также называют гидровингроторами, выполнены в виде двух полуцилиндров со смещенными осями. Когда они погружаются в воду, то течение воды обеспечивает создание крутящего момента. В результате течения потока воды трос выгибается и натягивается, что обеспечивает его свободное вращение. Концами трос соединяется с редуктором, именно ему передается мощность крутящегося троса. В результате трос выполняет функцию вала, который передает мощность генератору.

В обычной промышленной или бытовой сети постоянство частоты тока поддерживается сетью и специальным оборудованием. Однако для потребителя генератор может выдавать большую мощность, в зависимости от скорости течения воды. Поэтому в генераторе предусматриваются дополнительные регулировочные механизмы. К примеру, в схему может быть введена регулируемая балластная нагрузка, она может использоваться для подогрева воды в случае выработки излишней мощности. В промышленных установкахмини ГЭСдля этого специально предусматривается дополнительное оборудование.

Схема электрогенерирующей установки в целом предполагает наличие следующих элементов:
  • Гидротурбина с лопатками, которая соединяется с валом генератора.
  • Генератор. Используется для создания переменного тока. Он подсоединяется к валу турбины. Так как параметры создаваемого тока являются сравнительно нестабильными, то применяется дополнительное оборудование.
  • При помощи блока управления турбиной можно запускать и останавливать агрегат, синхронизировать работы, контролировать режимы работы и аварийно останавливать установку.
  • Блок балластной нагрузки, который используется для рассеивания неприменяемой мощности, то есть энергии, которую потребитель в данный момент не использует. Это дает возможность избежать выхода из строя генератора, а также системы контроля и управления.
  • или . Данные устройства необходимы, чтобы управлять зарядом аккумуляторов, преобразования напряжения.
  • , которые накапливают заряд и обеспечивают автономность работы устройства.
  • , используемая для преобразования напряжения.
Принцип действия мини ГЭС

Принцип действия аналогичен функционированию крупных электрических станций. Отличие кроется только в мощности установок и объема создаваемого электричества.

Напор воды может создаваться обычным течением водоема или образовываться путем возведения плотины или другого сооружения. К примеру, может быть создан искусственный перепад высот, что позволяет за счет силы тяжести усилить поток воды. В свою очередь, благодаря силе тяжести гидравлическая турбина будет вращаться быстрее, а значит, будет вращаться быстрее и генератор. В ряде случаев могут применяться одновременно два способа создания напора.

Под действием напора вода направляется в необходимом направлении, где и устанавливается турбина. На ее лопасти попадают водные массы, которые передают им свою энергию. Источником водной энергии могут являться реки и речки, перепады высот, расположенные на всевозможных водяных сбросах, трубопроводов разного назначения и так далее. Указанная водная энергия преобразовывается при помощи гидротурбины в движение вращения. Далее, проходя через редуктор или другую механическую передачу, эта энергия направляется на вал генератора.

Применение

Мини ГЭСмогут применяться повсеместно. Ограничением их применения может быть только отсутствие рек и речек. Если возле дома течет маленькая река, в том числе имеются плотины, высотные перепады на водяных сбросах, то это значит, что в данной местности созданы все условия для монтирования мини гидроэлектростанции. Естественно, что на ее покупку, монтаж или создание своими руками потребуется вложение денег. Однако, необходимо отметить, что такая установка сможет довольно быстро окупиться. В любой момент времени Вы будете иметь дешевую электроэнергию, за которую не нужно будет платить. Вы не будете зависеть от всевозможных внешних факторов.

Мини ГЭС могут использоваться в следующих целях:
  • Для промышленно применения . Это установки мощностью 200 кВт и выше. Данное оборудование производится специализированными предприятиями, однако их не так много. Данные гидроэлектростанции применяются для электрического снабжения промышленных предприятий и организаций, а также реализации электрической энергии потребителям.
  • Для коммерческого применения . Это установки мощностью до 200 кВт. Данные гидроэлектростанции применяются для электрического снабжения мало энергоемких предприятий, поселений, а также небольших групп домов.
  • Для бытового применения . Это установки мощностью до 20 кВт. Данные гидроэлектростанции применяются для электрического снабжения небольших всевозможных объектов, а также загородных домов.

Мини-ГЭС – безплотинный гидроэнергоблок Ленева – при скорости течения реки 1 м/с установка мини-ГЭС размерами 1,5*0,7*0,6 м производит 11 кВт.


Мини-ГЭС – гидроэнергоблок Ленева:

Мини-ГЭС – гидроэнергоблок Ленева Н.И. использует оригинальный, ранее не использовавшийся ни в одной из существующих конструкций, способ получения энергии как из водного потока любого вида (рек, ручьёв, приливов, морской волны и т.д.), так из движения воздушных масс. При этом используется естественный поток, без предварительного преобразования (строительства дамб, каналов, напорных труб).

Данный способ отъёма мощности водного потока является наиболее выгодным и с экологической точки зрения, так как совершенно не нарушает естественного русла реки, занимая от 1% до 10% площади, тем самым, не препятствуя свободному перемещению речной фауны и флоры в отличие от существующих ГЭС.

При скорости течения реки 1 м/с гидроэнергоблок Ленева Н.И. размерами 1,5*0,7*0,6 м производит 11 кВт.


Конструкция гидроэнергоблока Ленева:

Мини-ГЭС – гидроэнергоблок Ленева представляет собой систему (два ряда) лопастей прямоугольной формы (плоская пластинка) оси которых делят их на две (1/2) не равные части, большая из которых всегда (за счёт действия потока) находится за осью дальше по потоку. Тем самым достигается минимальное её вращение вокруг своей оси и, следовательно, наименьшие турбулентные завихрения.

Оси лопастей, своей верхней и нижней частями, в свою очередь, закреплены на верхней и нижней, замкнутых в кольца – цепях ПРЛ (либо на любом другом гибком элементе). Цепи передают усилие через звёздочки (рабочие колёса) на два вертикальных вала, с которых механическая энергия движущейся среды (воды, воздуха и т.д. и т.п.) через гибкую муфту и промежуточный вал передаётся на валы электрогенераторов . Валы установки через подшипники скольжения (качения) жёстко закреплены на каркасе гидроэнергоблока, имеющим закрытые на 2/3 боковые и глухую нижнюю стенки, что не препятствует поступлению дополнительной воды из окружающего потока через верх и 1/3 боковых стенок гидроэнергоблока.

В одном каркасе рационально размещать минимум три блока установки мини-ГЭС.

Положение лопастей по отношению к основному потоку регулируется неподвижными направляющими для цепи и подвижными для большей из сторон лопасти, а, меняя расстояние между подвижной направляющей для лопасти и неподвижной для цепи, мы задаем необходимый угол поворота между лопастью и направлением основного потока от 0 0 до 45 0 , добиваясь тем самым оптимального режима работы гидроэнергоблока либо останавливая её полностью. Таким образом, поток воздействует на лопасть фактически перпендикулярно, под 90 0 . Один из валов гидроэнергоблока 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.

Размеры блоков мини-ГЭС не ограничены. Определяются требуемой мощностью и размерами реки. Как пример, возьмём: ширина – 1200 мм, глубина – 700 мм, длина – 1250 мм, т.е. объём – 1 м3. Он позволяет разместить в нём 3 установки с 17 лопастями в каждой, имеющих, в свою очередь: ширину – 150 мм и глубину – 500 мм, т.е. каждая площадью – 0,075 м2. Так как две лопасти всегда будут находиться на поворотах, тогда общая рабочая площадь одной установки гидроэнергоблока – 1,125 м2, сумма 3-х установок мини-ГЭС в одном каркасе (1 м3 потока) будет – 3,375 м2!!!

Частота вращения валов – всего 30-60 оборотов в минуту.

Именно такая конструкция гидроэнергоблока позволяет наиболее полно использовать каждый кубический метр потока движущейся среды, возникающие центробежное и центростремительное ускорения, значительно увеличивающие как скорость движения потока, так и действие силы тяжести разделённого на секции потока движущейся среды, в нашем случае – реки.

Материалоёмкость одного киловатта мини-ГЭС в зависимости от используемых материалов на изготовление будет варьироваться от нескольких сот грамм (пластмасса, сверхвысокомолекулярный полиэтилен ) до 2-3 кг (сталь ) на 1 кВт установленной мощности.

Описание принципа работы мини-ГЭС:

Гидроэнергоблок Ленева Н.И. создаёт перед собой небольшой подпор сантиметров 10 при скорости потока 1 м/сек., а за собой – разряжение и потому на лопасть вода, падая с этого подпора, воздействует уже с иной скоростью, чем в окружающем потоке. При наличии ещё и разряжения на выходе установки мини-ГЭС поток под действием центробежной силы и гравитационной постоянной увеличивает свою скорость! В чём не трудно убедиться на представленных фотографиях по выходящему потоку и буруну, который он создаёт. Гидроэнергоблок работает, как насос.

Преимущества гидроэнергоблока Ленева:

– увеличенная рабочая площадь гидроэнергоблока. В установке мини-ГЭС нет ни одной лопатки, которая бы не работала в каждый отдельно взятый момент или противодействовала работе остальных. Лопасти расположены двумя рядами, каждый из которых является рабочим. На развороте – лопасти также работают,

– форма установки создает модульность конструкции гидроэнергоблока, что позволяет строить более крупные гидроэлектростанции из миниблоков для небольшого, среднего и крупного потребителя,

– рабочие лопатки гидроэнергоблока расположены по отношению к движущемуся потоку под оптимальным углом в 45 градусов. Тем самым мини-ГЭС не только не останавливает движение воды, отнимая у неё всю энергию, но и провоцирует возникновение дополнительных сил, значительно увеличивающих мощность водного потока, а, соответственно, и нашей самой

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),

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. 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:

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 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:

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 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.

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

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

Гидроэлектростанции используют силу воды для получения электрической энергии. Самостоятельно изготовленные станции решают проблему удаленности от централизованных электросетей или помогают сэкономить на электричестве.

Преимущества и недостатки ГЭС

Гидроэлектростанции обладают следующими преимуществами перед другими видами альтернативных источников энергии:

  • Не зависят от погоды и времени суток (в отличие от ). Это позволяет вырабатывать большее количество энергии с предсказуемой скоростью.
  • Мощность источника (реки или ручья) можно регулировать. Для этого достаточно заузить русло плотиной либо обеспечить перепад высот воды.
  • Гидроустановки не издают никакого шума (в отличие от ).
  • Для многих типов станций небольшой мощности не требуется никаких разрешений на установку.

К минусам самодельных ГЭС относится невозможность работать в мороз. Кроме того, водная среда является агрессивной, поэтому детали станции должны быть водостойкими и прочными.

При проектировании мини-ГЭС для использования в качестве альтернативного источника энергии для собственного дома решающими должны быть следующие факторы:

  • Близость реки к дому. Устанавливать самодельную станцию в удалении от дома не стоит. Чем дальше установка, тем ниже ее эффективность, потому что часть энергии будет потеряна при передаче. Кроме того, так сложнее уберечь вашу ГЭС от кражи или порчи.
  • Достаточная скорость течения или возможность его увеличения. Мощность станции увеличивается в геометрической прогрессии при увеличении скорости воды.

Узнать скорость несложно. Бросьте кусочек пенопласта или теннисный шарик в воду и засеките время, за которое он проплывет определенную дистанцию. Затем разделите метры на секунды и вы узнаете скорость. Минимально достаточная скорость воды для самодельной ГЭС - 1 м/с.

Если скорость течения вашей реки или ручья ниже этого значения, то ее усилит маленькая плотина либо сужающаяся труба. Но эти варианты могут вызвать дополнительные трудности. Строительство плотины требует разрешения от властей, а также согласия соседей.

Мини-гидроэлектростанция своими руками

Конструкция ГЭС достаточно сложная, поэтому самостоятельно удастся построить лишь небольшую станцию, которая позволит сэкономить на электричестве или обеспечит энергией скромное хозяйство. Ниже приведены два примера реализации самодельной ГЭС.

Как сделать мини-ГЭС из велосипеда

Этот вариант ГЭС идеален для велопоходов. Он компактный и легкий, но сможет обеспечить энергией небольшой лагерь, разбитый на берегу ручья или реки. Полученного электричества хватит на вечернее освещение и зарядку мобильных устройств.

Для монтажа станции понадобится:

  • Переднее колесо от велосипеда.
  • Велогенератор, который используется для питания велосипедных фонарей.
  • Самодельные лопасти. Их вырезают заранее из листового алюминия. Ширина лопастей должна быть от двух до четырех сантиметров, а длина - от втулки колеса до его обода. Лопастей может быть любое количество, располагать их нужно на одинаковом расстоянии друг от друга.

Чтобы запустить подобную станцию, достаточно погрузить колесо в воду. Глубина погружения определяется экспериментально, примерно от трети до половины колеса.

Для постройки более мощной станции для постоянного использования понадобятся более прочные материалы. Лучше всего подойдут металлические и пластиковые элементы, которые легче защитить от воздействия водной среды. Но годятся и деревянные детали, если пропитать их специальным раствором и покрасить водостойкой краской.

Для станции необходимы следующие элементы:

  • Стальной барабан от кабеля (2,2 метра в диаметре). Из него изготавливается ротор-колесо. Для этого барабан разрезается на части и сваривается заново на расстоянии в 30 сантиметров. Из остатков барабана делают лопасти (18 штук). Их приваривают к радиусу под углом в 45 градусов. Для поддержки всей конструкции из уголков или труб изготавливают раму. Колесо вращается на подшипниках.
  • На колесо устанавливается цепной редуктор (коэффициент передачи должен равняться четырем). Чтобы легче свести оси привода и генератора, а также снизить вибрацию, вращение передается через кардан от старого автомобиля.
  • Для генератора подходит асинхронный двигатель. К нему следует добавить еще один шестеренчатый редуктор с коэффициентом около 40. Тогда для трехфазного генератора с 3000 оборотами в секунду при общем коэффициенте редуцирования 160 количество оборотов снизится до 20 оборотов в минуту.
  • Поместите всю электрику в водонепроницаемую емкость.

Описанные исходные материалы легко найти на свалке или у знакомых. За резку стального барабана болгаркой и за сварку можно заплатить специалистам (или же сделать все самостоятельно). В итоге ГЭС мощностью до 5 кВт обойдется в незначительную сумму.

Получить электричество из воды не так и сложно. Труднее выстроить автономную систему электроснабжения на основе самодельной ГЭС, поддерживать станцию в рабочем состоянии и обеспечивать безопасность людей и животных вокруг нее.