Мини ГЭС. Микрогидроэлектростанции

Малая гидроэлектростанция или малая ГЭС (МГЭС) - гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии и состоящая из гидроэнергетических установок с установленной мощностью от 1 до 3000 кВт.

Микро-гидроэлектростанция предназначена для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в электрическую для дальнейшей передачи сгенерированной электроэнергии в энергосистему. Под термином микро подразумевается, что данная гидроэлектростанция устанавливается на малых водных объектах - небольших речках или даже ручьях, технологических протоках или перепадах высот систем водоподготовки, а мощность гидроагрегата не превышает 10 кВт.

МГЭС разделяют на два класса: это микро-гидроэлектростанции (до 200 кВт) и мини-гидроэлектростанции (до 3000 кВт). Первые применяются в основном в домохозяйствах, и на небольших предприятиях, вторые - на более крупных объектах. Для владельца загородного дома или небольшого бизнеса, очевидно больший интерес представляют первые.

Исходя из принципа действия, микро-гидроэлектростанции разделяют на следующие типы:

Водяное колесо . Это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды и наполовину в неё погруженное. В процессе работы вода давит на лопасти и заставляет вращаться колесо.

С точки зрения простоты изготовления и получения максимального КПД с минимальными затратами, эта конструкция хорошо работает. Поэтому часто применяется и на практике.

Гирляндная мини-ГЭС . Представляет собой перекинутый с одного берега реки на другой трос с жестко закрепленными на нем роторами. Поток воды вращает роторы, а от них вращение передаётся на трос, один конец которого соединен с подшипником, а второй - с валом генератора.

Недостатки гирляндной ГЭС: большая материалоемкость, опасность для окружающих (длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД.

Ротор Дарье . Это вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета. Фактически, МГЭС данной конструкции идентичны одноименным ветрогенераторам, но располагаются в жидкостной среде.

Ротор Дарье сложен в изготовлении, в начале работы его нужно раскрутить. Но он привлекателен тем, что ось ротора расположена вертикально и отбор мощности можно производить над водой, без дополнительных передач. Такой ротор будет вращаться при любом изменении направления потока. Как и у его воздушного собрата, КПД ротора Дарье уступает КПД МГЭС пропеллерного типа.

Пропеллер . Это имеющий вертикальный ротор подводный «ветряк», который в отличие от воздушного, имеет лопасти минимальной ширины всего в 2 см. Такая ширина обеспечивает минимальное сопротивление и максимальную скорость вращения и выбиралась для наиболее часто встречающейся скорости потока - 0.8-2 метра в секунду.

Пропеллерные МГЭС , также как и колесные, просты в изготовлении и обладают сравнительно высоким КПД, их частое применение этим и обусловлено.

Классификация Мини ГЭС

Классификация по вырабатываемой мощности (области применения) .

Вырабатываемая микро ГЭС мощность определяется сочетанием двух факторов, первый это напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие вырабатывающий электроэнергию генератор, и второй фактор - расходом, т.е. объемом воды, проходящем, через турбину за 1 секунду. Расход является определяющим фактором при отнесении ГЭС к определенному типу.

По вырабатываемой мощности МГЭС подразделяются на:

• Бытовые мощностью до 15 кВт: используются для обеспечения электроэнергией частных домовладений и ферм.
• Коммерческие мощностью до 180 кВт: питают электроэнергией небольшие предприятия.
• Промышленные мощностью свыше 180 кВт: генерируют электроэнергию на продажу, либо энергия передается на производство.

Классификация по конструкции

Классификация по месту установки

• Высоконапорные - более 60 м;
• Средненапорные - от 25 м;
• Низконапорные - от 3 до 25 м.

Данная классификация подразумевает, что электростанция работает на разных частотах вращения, и для ее механической стабилизации принимается ряд мер, т.к. скорость потока зависит от напора.

Составные части Мини ГЭС

Электрогенерирующая установка малой ГЭС состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления. Часть элементов системы аналогичны для или . Основные элементы системы:

• Гидротурбина с лопатками, соединённая валом с генератором
• Генератор . Предназначен для выработки переменного тока. Присоединяется к валу турбины. Параметры генерируемого тока быть относительно нестабильны, однако ничего похожего на скачки мощности при ветряной генерации не происходит;
• Блок управления гидротурбиной обеспечивает пуск и останов гидроагрегата, автоматическую синхронизацию генератора при подключении к энергосистеме, контроль режимов работы гидроагрегата, аварийную остановку.
• Блок балластной нагрузки , предназначенный для рассеивания неиспользуемой потребителем на данный момент мощность, позволяет избежать выхода из строя электрогенератора и системы контроля и управления.
• Контроллер заряда/ стабилизатор : предназначен для управления зарядом аккумуляторных батарей, контроля поворота лопастей и преобразования напряжения.
• Банк АКБ : накопительная ёмкость, от размера которой зависит продолжительность функционирования в автономном режиме питаемого ею объекта.
• Инвертор , во многих гидрогенерирующих системах применяются инверторные системы. При наличии банка АКБ и контроллера заряда, гидросистемы мало чем отличаются от других систем, применяющих ВИЭ.

Мини ГЭС для частного дома

Рост тарифов на электроэнергию и отсутствие достаточных мощностей, делают актуальными вопросы о применение бесплатной энергии возобновляемых источники в домашних хозяйствах. По сравнению с другими источниками ВИЭ, мини ГЭС представляют интерес, так как при равной мощности с ветряком и солнечной батареей они способны выдать за равный промежуток времени гораздо больше энергии. Естественное ограничение на их применение является отсутствие реки

Если возле вашего дома протекает небольшая река, ручей или имеют место перепады высот на озерных водосбросах, то значит у вас имеются все условия для установки мини ГЭС. Потраченные на её приобретение деньги быстро окупятся - вы будете в любое время года обеспечены дешёвой электроэнергией, независимо от погодных условий и иных внешних факторов.

Основным показателем, который указывает на эффективность использования МГЭС является скорость потока водоема. Если скорость меньше 1 м/с, то необходимо принять дополнительные меры по его разгону, например, сделать обводной канал переменного сечения или организовать искусственный перепад высот.

Преимущества и недостатки микрогидроэнергетики

К преимуществам мини гэс для дома можно отнести:

• Экологическая безопасность (с оговорками для рыб-мальков) оборудования и отсутствие необходимости затопления больших площадей с колоссальным материальным ущербом;
• Экологическая чистота получаемой энергии. Отсутствует влияние на свойства и качество воды. Водоемы можно использовать и для рыбохозяйственной деятельности, и как источники водоснабжения населения;
• Низкую стоимость получаемой электроэнергии, которая в разы дешевле вырабатываемой на ТЭС;
• Простоту и надёжность применяемого оборудования, и возможность его работы в автономном режиме (как в составе, так и вне сети электроснабжения). Вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению;
• Полный ресурс работы станции - не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта);
• неисчерпаемость используемых для выработки энергии ресурсов.

Основной недостаток микро-гэс это относительная опасность для обитателей водной фауны, т.к. вращающиеся лопатки турбин, особенно в скоростных потоках, могут представлять угрозу для рыб или мальков. Условным недостатком можно так же считать ограниченность применения технологии.

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.

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

«Зеленые» всего мира все чаще и все более активно протестуют против разработки новых месторождений нефти, газа, угля, а также массового использования двигателей внутреннего сгорания во всем мире, которые и приносят самые сильные загрязнения нашей среды обитания. Знаменитости из мира моды, театра, кино, призывают жить экономнее в плане расхода электроэнергии. Они устанавливают на крышах своих особняков солнечные батареи, ветровые генераторы (как актёр Леонардо Ди Каприо, например).

Все больше простых людей также понимают, что и от их поведения что-то может зависеть, и если хотя бы один человек найдет альтернативу двигателю внутреннего сгорания, то тогда мир станет чуточку чище. Поэтому в деревнях, поселках и в нашей стране, там, где есть падающая или бегущая вода, некий бассейн с водой на возвышенности, есть возможность сделать мини ГЭС своими руками и, тем самым, помочь и себе и ее Величеству Природе. Это ведь альтернатива бензиновому или дизельному генератору, который все равно работает на топливе и дает едкий выхлоп в окружающую среду.

А если не один человек, не одно домохозяйство решило найти альтернативный путь получения электроэнергии? Если целый поселок, деревня, аул? Тут уже нагрузка на Природу уменьшится значительно. Да и в кармане у потребителя останется больше денег на домашние нужды, ибо электричество от мини ГЭС, созданной руками и умом энтузиастов выходит примерно раза в три дешевле, чем покупать его от штатных производителей (ТЭЦ, Атомные станции, промышленные ГЭС).

В поисках нужной воды

Недавно я увидел небольшое видео, где показывалось, как в обычной индийской деревне студенты одного из западных колледжей решили сделать мини ГЭС. Электричества в той глуши нет, молодые люди бегут в города, а что произойдёт, если дать жителям свет? Реки как таковой в деревне нет, зато есть водоем. Природная чаша с огромным количеством воды расположена немного выше уровня деревни. Что придумали студенты?

Они своими умными головами сообразили, что раз нет здесь течения от Природы, его можно создать! Руками нанятых рабочих была смонтирована крытая длинная труба диаметром с метр, и один конец ее замкнулся на водоем, а другой — внизу, уходил в небольшую и тихоходную речку. За счет перепада высоты вода из водоема по трубе устремлялась вниз, разгоняясь все больше, и на выходе уже создавался довольно мощный поток, который упирался в лопасти мини ГЭС. Труба, в которую заключили воду водоема, сбегает вниз по склону холма настолько живописно, что кажется, будто огромный питон медленно ползет сверху вниз и своими размерами вселяет ужас в местных жителей. Его хочется потрогать руками, пощупать, почувствовать его мощь.

Если нечто подобное создают в индийской деревушке, то почему не попробовать сделать то же самое в российской? Если рядом нет быстротечной реки, но есть водоем, то и тут возможно строительство мини ГЭС. Нужно просто смотреть рельеф местности, но понятно одно: водоём — пусть он будет природный, или искусственный — должен быть расположен выше, нежели место, где будет установлена гидроэлектростанция. Если разница высот значительная – еще лучше! Поток воды будет бежать сильнее сверху вниз, а значит, возрастет возможная мощность получаемой электроэнергии.

Необязательно покупать дорогие трубы для организации искусственного водного течения. Можно своими руками сделать некий желоб, и пусть пока по нему разгоняется вода из водоема. Для начала лучше вообще взять любые подручные средства, старые трубы пусть и небольшого диаметра пока, и соорудить пробный вариант слива воды из водоема, что расположен выше. Так можно будет измерить скорость потока (как это сделать я уже писал ранее). Если же под боком течет река с быстрым течением, то тогда и не надо строить ни плотин, ни желобов, ни создавать поток воды искусственно. Мини ГЭС в форме гирлянды, пропеллера, ротора Дардье или водяного колеса могут быть установлены в таких местах без особых проблем.

Важно будет защитить сооружение. Как? Впереди мини ГЭС следует установить защитный экран из сетки, или рассеиватель, чтобы плывущие по реке обломки деревьев, а то и целые бревнышки, а также живая и мертвая рыба, всякого рода мусор не попадали на лопасти турбины, а проплывали мимо.

Простейшая мини гидроэлектростанция станция своими руками

Создать собственную мини-ГЭС своими руками способен почти каждый. Примеры? Многие туристы для получения освещения в условиях похода используют обыкновенный велосипед, на котором и передвигаются. На любое колесо велосипеда они устанавливают между спицами перемычки из кусков, скажем, тонкого железа и сначала руками, а затем плоскогубцами заводят края листа за спицу, тем самым фиксируя перемычку. Длина перемычки должна соответствовать половине диаметра колеса, то есть перекрывать расстояние от обода до втулки. По сути, она должна быть равна длине спицы. Оптимальным будет установить четыре таких перемычки по типу сторон света: Север, Юг, Запад, Восток. Далее потребуется обычный велогенератор и фонарик подключенный к нему.

Пора выбираться в поход. На ночлег нужно остановиться у реки. Ну и пусть, что комары закусают! Зато получится сделать видео вечеринки, наделать фотографий у костра. Это же очень живописно! Вода в реке должна иметь заметное течение и тогда наша походная мини гидроэлектростанция будет работать. «Да будет свет!» — сказал монтер и сделал замыкание. Нет, это не про нас.

«Да будет свет!» — сказал турист и опустил колесо с перемычками из железа на треть в воду бегущей реки. Сам велосипед ставится на небольшую подставку, или подвешивается за дерево или колышек на берегу так, чтобы колесо на треть было погружено в поток. Вода давит на перемычки, крутит колесо, генератор преобразует энергию воды в ток и мини-фонарик освещает место стоянки.

Нет риска, что батарейки попались бракованные, как в случае применения обычного фонаря, нет риска, что они «сядут», их не надо брать собой в поход в большом количестве. Течение реки никуда не исчезнет. Туристы, чаще всего, предпочитают останавливаться в проверенных местах. Так что, единожды получив электрический ток посредством минивело-ГЭС на месте ночлега, они будут помнить это место и постараются коротать темное время суток именно здесь.

Трудности согласования

Однако, зажечь одну свечу, образно говоря, это одно, а вот зажечь тысячи, дать людям свет, как то сделал Прометей, это совсем иное дело. Компактная гидроэлектростанция как источник электричества своим появлением в обыденном применении может нарушить устоявшуюся картину и состояние дел.

Крупнейшие монополии привыкли, что именно они производят электроэнергию для малых поселений, сбытовые дочерние структуры привыкли получать деньги за доставку товара – КВт\час потребителю. Куда в эту схему вписать мини — ГЭС? Да еще не подконтрольную монополистам? Сразу скажу, что согласовать такой проект с местными властями в России будет непросто, как впрочем, и всякое иное новое дело. Но результат стоит затраченных усилий.

В целом под компактной (мини) гидроэлектростанцией подразумевается такая станция, что выдает мощность до 100 квт. Народные умельцы, работая руками и головой, могут достаточно легко соорудить сию полезную штуку у себя в поселке или деревне, даже в частном домовладении. Но только если имеются соответствующие природные условия и желание что-то создать НОВОЕ, сэкономить денег, то есть в будущем меньше платить за электричество.

Если вы посмотрите видео, или фото некоторых мини- ГЭС, то увидите, что подчас они выглядят весьма странно. Но ведь для современников Леонардо Да Винчи его махолеты с огромными крыльями тоже казались по меньшей мере странными, а своими дерзкими опытами и идеями великий итальянец и вовсе наводил ужас на многих людей своего времени. Ну и что? Людей тех мы не помним. А чертежи и творения Леонардо будут жить в веках. Стройте мини-ГЭС своими руками, экспериментируйте, дерзайте! Природа и потомки скажут вам лишь «Спасибо»!

Михаил Берсенев

В Таджикистане тоже есть умельцы, не хуже индийских:

Микро — ГЭС – это электростанция, обладающие малой мощностью (до 100,0 кВт), служащие для производства электрической энергии, путем преобразования кинетической энергии воды.

Принцип действия

Принцип действия микро — ГЭС аналогичен действию больших и малых гидроэлектростанций. Разница заключается лишь в мощности установленного оборудования и количества вырабатываемой электрической энергии.
Производство электрического тока осуществляет генератор, вращательное движение ротора которому, передается с гидравлической турбины.
Для того, чтобы турбина пришла во вращательное движение, создается напор воды, на водоеме, где установлена мини ГЭС. Это может быть напор, создаваемый естественным течением водных масс, либо создаваемый путем строительства плотины или иного технического сооружения. В определенных случаях, могут быть использованы оба способа создания напора одновременно.
Под действием напора, потоки воды устремляются в требуемом направлении, в створе их движения монтируется турбина, на лопасти которой и поступает энергия движущихся водных масс. Эта кинетическая энергия воды, преобразуется турбиной, во вращательное движение, которое посредством механической передачи (редуктор) и передается на вал генератора.

Источником энергии могут служить:

• реки различных размеров и интенсивности течения и ручьи,
• перепады высот на водосбросах водоемов различного назначения;
• технологические водотоки;
• перепады высот на трубопроводах различного назначения.

В зависимости от вида используемого оборудования и способа его установки, принцип работы гидроэлектростанции, может различаться. Это могут быть следующие варианты:

1. Принцип «водяного колеса» – при этом варианте, приемное колесо частично погружается в воду параллельное ее поверхности. Водные потоки, перемещаясь по естественному руслу, давят на лопасти, размещенные на колесе, и приводят его во вращение. Колесо, в свою очередь, посредством редуктора и прочих механических устройств, создает вращательное движение генератора.
2. Конструкция в виде гирлянды – с противоположных берегов монтируется трос, на котором установлены специальные роторы. Вода, перемещаясь вращает роторы, вращательное движение которых передается на трос. Трос вращаясь, передает вращательное движение на генератор, установленный на берегу.
3. С использованием ротора Дарье – в принцип работы турбины, заложено использование разности давлений на лопастях ротора.
4. С использованием принципа пропеллера – лопасти устройства помещены в воду и под воздействие воды приходят во вращательное движение, которое и передается на вал генератора, вырабатывающего электрический ток.

Преимущества использования микро — ГЭС:

• Отсутствует необходимость в изменении естественного ландшафта местности;
• На качество воду не оказывается стороннее воздействие, она сохраняет свои свойства;
• Не зависимость от воздействия природных явлений;
• Возможность использования в круглогодичном цикле работы;
• Нет необходимости в строительстве дорогостоящих гидротехнических сооружений.

Типы

В зависимости от способа использования энергии воды, микро — ГЭС подразделяются на:

1. Плотинные.
   В основу способа создания водного напора, положено строительство плотины, от которой по специальному желобу (трубе), потоки воды направляются к турбине.
2. Деривационные.
   При устройстве микро — ГЭС данного типа, используется естественный напор воды (быстрые, горные реки). В этом случае часть воды отводится из русла реки и направляется к турбине, после чего, вода сбрасывается в основное русло.
3. Плотинно-деривационные.
   данном типе электростанций, используется как естественный напор, так и напор, создаваемый плотиной.
4. Свободно-поточные.
   Данный тип микро — ГЭС не предполагает строительства напорных сооружений, кинетическая энергия воды используется в ее свободном течении, путем установки специальных устройств, наплавного или погружного вида.

Производители и цены

В настоящее время, все большее количество людей интересуется альтернативными источниками энергии, а соответственно и спрос, на оборудование, используемое для производства энергии возрастает. В связи с этим, производством подобного оборудования, занимаются компании во многих странах мира, в том числе и в России.

Оборудование для микро — ГЭС, как по отдельным узлам, так и комплектами, в нашей стране занимаются:

1. Компания ООО «АЭнерджи», г. Москва.
   Предприятие производит оборудование для различных направлений производства электрической энергии с использованием альтернативных источников (ветрогенраторы, солнечные электростанции и т.д.). В линейке выпускаемых товаров, энергетическое оборудование для микро и мини – ГЭС.
2. Межотраслевое научно-техническое объединение «МНТО ИНСЭТ» г. Санкт-Петербург.
   Компания выполняет весь комплекс работ от проектирования до сдачи под ключ готового
   объекта строительства. В линейке выпускаемой продукции микро – ГЭС с различными
   видами рабочего колеса и мощностью от 5,0 до 180,0 кВт, а также разнообразные
   гидроагрегаты.

Стоимость комплекта оборудования, в зависимости от типа электростанции и ее мощности – от 350000,00 рублей.

Среди зарубежных производителей, наиболее известна продукция таких компаний, как:

1. «CINK Hydro-Energy» Республика Чехия.
   Компания производит комплекты гидроэлектростанции с горизонтальными и вертикальными турбинами, мощностью от 5,0 до 3000 кВт, а также микротурбины.
   Стоимость комплектов от 500000,00 рублей.
2. «Micro hydro power» Китай.
   Компания производит комплекты гидроэлектростанции мощностью от 1,0 до 3000 кВт. Стоимость составляет от 300000,00 до 4000000,00 рублей.
3. Инженерно-техническая фирма ОсОО «Гидропоника» г. Бишкек, Кыргызстан.
   Фирма производит гидроэлектростанции мощностью от 0,5 до 5,0 кВт. Стоимость составляет от 60000,00 до 300000,00 рублей.

Как сделать своими руками

Для того, чтобы сделать простейшее устройство для получения электрической энергии, необходимо иметь навыки работы с ручным инструментом, свободное время, желание и водоем.

В качестве источника электрической энергии можно использовать автомобильный генератор, для вращения ротора которого, необходимо изготовить следующую конструкцию.

• В соответствии с имеющимся водоемом необходимо решить, какой вариант колеса будет применен – вертикальный или горизонтальный. Это влияет на пространственную конструкцию собираемой установки.
• В качестве колеса, используется любое имеющееся в наличии. Хорошо подойдет велосипедное колесо.
• К ободу колеса прикрепляются лопасти, которые изготавливаются из металла, твердого пластики или иного материала, имеющегося в наличии.
• На вал колеса крепится шестеренка или шкив. В зависимости от закрепленного элемента, в дальнейшем будет выполняться цепная или ременная передача.
• Колесо крепится на конструкции и помещается в воду, с таким расчетом, чтобы при горизонтальном размещении колеса, 1/3 находились над поверхностью воды, при вертикальном расположении – вода поступала на лопасти, а ось колеса была вне воды.
• В зависимости от водного объекта, выполняется установка генератора. Это можно выполнить непосредственно на собранной металлической конструкции, либо установить на берегу.
• На вал генератора устанавливается шестерня или шкив, которые должны быть меньшего диаметра, чем установленные на колесе.
• Выполняется соединение шкивов или шестерен, установленных на колесе и валу генератора.

Установка готова к работе.

Такой вариант получения электрической энергии можно использовать туристам и путешественникам для подзарядки мобильных телефонов, планшетов и иного не энергоемкого оборудования.

Микро — ГЭС на ручье

При проживании в сельской местности или имея дачный участок, вблизи с которым протекает ручей, можно решить вопрос с электроснабжением этих объектов, путем монтажа микро – ГЭС, на таком водном объекте.
Для электроснабжения подобного объекта, уже будет недостаточно автомобильного генератора, потому как установленная мощность, даже дачного домика значительно больше, чем подобное устройство может произвести.
Наиболее верное решение – это приобрести комплект микро – ГЭС мощностью до 10,0 кВт, и выполнить монтаж самостоятельно. Это позволит снизить затраты, а сам процесс монтажа, способен выполнить даже человек с минимальными познаниями в механике и электротехнике.

В комплект подобного оборудования, как правило, входят следующие элементы:

• Гидротурбина.
• Мультипликатор, для увеличения оборотов вала генератора по отношению к обротам турбины.
• Устройство, обеспечивающее саморазгон турбины.
• Комплект трубопроводов.
• Генератор.
• Система управления и автоматики.

В зависимости от расхода воды, который обеспечивает ручей, выбирается тип турбины, это как правило пропеллерная или диагональная конструкция.
В соответствии с инструкциями производителя осуществляется монтаж оборудования и подключение потребителей.

Микро – ГЭС водоворотного типа

Установки, работающие на принципе водоворота, целесообразно устанавливать на малых реках и полноводных ручьях. Мощность подобного типа микро – ГЭС составляет до 100,0 кВт.
При строительстве подобных станций, монтируется специальный желоб, в который поступают водные массы из реки или ручья. В нижней точке желоба изготавливается цилиндрическое сооружение внизу которого устраивается отверстие. Вода поступает по желобу в приемник-цилиндр двигаясь по касательной к стенкам последнего, в следствии чего, внутри цилиндра, закручивается в водовороте, скорость ее движения увеличивается, и она вытекает через нижнее отверстие, попадая на лопасти турбины.

Благодаря постоянному вращению воды гидроэлектростанции подобного типа работают в круглогодичном цикле. Недостатком водоворотных микро-ГЭС является высокая стоимость, обусловленная большим объемом бетонных работ.

Плюсы и минусы

Использования микро – ГЭС, позволяет получить положительный эффект от их использования в экономической и социальной сферах и экологической безопасности территорий, где строятся подобные сооружения.
Производство электрической энергии позволяет обеспечить энергетическую независимость и безопасность территории, отдельного предприятия или объекта недвижимости. При строительстве не требуется сооружение больших гидротехнических сооружений, и как следствие, снижение стоимости строительно-монтажных работ.
Важным достоинством малой гидроэнергетики является экологическая безопасность подобных установок. На флору и фауну не оказывается каких-либо вредных воздействий, качество воды остается неизменным.

Суммируя плюсы использования микро – ГЭС, к их положительным свойствам можно отнести следующие:

• Экологичность и безопасность установок;
• Энергия воды – это возобновляемый и неисчерпаемый источник энергии;
• Способность установок работать в автономном режиме;
• Вырабатываемая электрическая энергия обладает низкой себестоимостью;
• Продолжительные сроки эксплуатации;
• Техническая надежность установок.

У любого технического объекта, на ряду с положительными свойствами, всегда есть и отрицательные. Для сложных технических сооружений, которыми являются микро – ГЭС, возможно наличие нештатных ситуаций, в результате которых, производство электрической энергии может быть прекращено, в связи с чем, потребители будут обесточены.
Сезонность работы станций, также является недостатком подобных установок. Это определяет регионы использования или необходимость устройства специальных устройств и конструкций.

Объединяя минусы использования микро – ГЭС, к их отрицательным свойствам можно отности:

• Васокая стоимость оборудования и выполнения строительно-монтажных работ;
• Выведение из общего пользования значительных площадей (затопление, при строительстве плотин и водохранилищ);
• Ограниченность использования, обусловленная возможностью монтажа установок и климатом региона установки оборудования;
• Наличие потенциальной опасности для живых организмов, обитающих в водоемах.

Использование малых гидроэлектростанций является одним из направлений развития возобновляемых источников энергии и уже сегодня конкурирует с традиционными источниками получения электрической энергии, являясь эффективным направлением развития альтернативной энергетики.