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.
К мини электростанциям относятся генерирующие устройства мощностью от 1 до 3000 кВт. Принципиально ТЭС состоит из:
По типу водных ресурсов, используемых для генерации, мини ГЭС бывают:
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.
Принципиальную схему работы ГЭС можно выбрать из нескольких вариантов:
На фото мини ГЭС на основе водяного колеса
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.
Принцип работы небольшой самодельной ГЭС можно понять на примере велосипеда с фарой и динамо-машиной (генератором).
Чертеж одного из вариантов строительства мини ГЭС
Примером может служить небольшая ГЭС для фермерского хозяйства мощностью 3-5 кВт из подручных материалов:
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.
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.
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».
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.
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.
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.
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.
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:
Распространенность этих вариантов обусловлена тем, что они не требуют строительства плотины.
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.
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.
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.
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.
Независимо от вида конструкции мини-гидроэлектростанции обладают рядом преимуществ:
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:
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.
Всегда хотел получить электричество из ручья, протекающего по периметру моего дома. Около трех лет назад я установил временную турбину, чтобы проверить, будет ли работоспособным турбинное колесо большего размера.
Демо-версия этого колеса была сделана из старых подставок для абразивных кругов и деревянных паллет в качестве лопастей.
В качестве генератора я использовал старую ленту постоянного тока из приводного двигателя Ametec. Чтобы приготовить все полностью, я использовал мини-мотоцепь и звездочки с 70 и 9 зубцами (для вращения колеса и на двигателе). Стоимость всех предметов вылилась примерно в 30 фунтов стерлингов.
Максимально оно генерировало 25 Вт и проработало где-то в течение года, главным образом из-за ограничений двигателя Ametec и размера колеса, и подтолкнуло меня к созданию турбины большего размера.
В первую очередь мне нужно было запрудить воду ручья, так, чтобы уровень воды был примерно мне по грудь. Не дожидаясь конца лета, я, с помощью водооткачивающего насоса отвел воду, сделал запруду из цемента.
Колеса турбины мне изготовили местные строительные компании из прочного многослойного материала, используемого для создания обшивки и настила в судостроении, толщиной в 13 мм. Из этого же материала я сделал и лопасти. В завершение я покрыл диски и лопасти специальным водоотталкивающим составом, чтобы продлить их жизнь.
Основу для турбины я соорудил из дубовых поленьев. Дуб оказался очень жестким, пришлось повозиться, пока я прикреплял поленья болтами к каменной раме. Пришлось сверлить отверстия, а для этого приходилось привязывать турбину, чтобы уравновесить ее и подогнать все размеры и затянуть болты.
Следующим шагом после установки колеса было решение вопроса с приводом и генератором.
Первоначально я использовал привод производства Minimoto, но затем маленькая цепь из-за интервала между зубьями начала соскальзывать, и я решил приобрести цепи с шагом 3/8 и звездочки у поставщика подшипников. Генератор поставил Windblue Power Permanent Magnet Generator (PMG). Он способен вырабатывать 12 В на 150 об./мин. Его часто используют в качестве переделанного автомобильного генератора. Обычный генератор выдает 12 В лишь при 3000 оборотах. Этот двигатель я заказал в США за 135 фунтов стерлингов, включая расходы на почтовую пересылку.
Колесо крутилось слишком медленно, и мне пришлось делать под запрудой ступенчатый поддон, на котором вода собиралась в узкое жерло и с большей силой лилась на лопасти.
Кроме того я прикрутил стальным тросом сечением в 1 см основные рейки каркаса, а там, где была возможность, укрепил базу с помощью анкерных болтов длиной в 1 фут, чтобы уберечь устройство от поломки, если вдруг плотину прорвет или будет сильный порыв ветра.
На турбине установлены аккумуляторы 4x55AH Brand New. С их помощью я постоянно подзаряжаю ноутбук. Также я купил два военных тяговых свинцовых аккумулятора 2х110Аh Hawker для освещения гаража и дома. Подача напряжения на два разных по типу аккумулятора идет с разных проводов.
Примерно год я эксплуатирую эту систему. Выходная мощность - 50 Вт, на пике выдает до 500 Вт. Пару раз турбина останавливалась из-за спада воды, а также из-за перекрытия основного потока во время наводнений. А так - круглый год работает.
Перевод: Ярослав Николаевич
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.
Существует большое количество разнообразных вариаций мини-ГЭС, каждая из которых имеет свои преимущества, особенности и недостатки. Выделяют следующие виды этих устройств:
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.
Классическое водяное колесо - хорошо забытое старое Что касается пропеллерной ГЭС, то представляет она собой ветряк, расположенный под водой с вертикальным ротором. Ширина 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.
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.
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 водоем находится далеко, можно соорудить обходной канал 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.
