Альтернативные источники энергии и энергосбережение

4.1. Большие и малые гидроэлектростанции

До середины XIX века для этого применялись водяные колеса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидротурбины.

До конца XIX века энергия вращающегося вала использовалась непосредственно, например:

♦ для размола зерна на водяных мельницах;

♦ для приведения в действие кузнечных мехов и молота.

Но когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса, правда, уже в другом обличье (в виде водяной турбины). Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода, тем более что многовековой опыт у нее уже имелся.

Сейчас практически вся механическая энергия, создаваемая гидротурбинами, преобразуется в электроэнергию.

Альтернативной энергетике последнее время уделяется пристальное внимание во всем мире. Заинтересованность в использовании возобновляемых источников энергии — ветра, солнца, морского прилива и речной воды, — легко объяснима: нет нужды закупать дорогостоящее топливо, имеется возможность использовать небольшие станции для обеспечения электроэнергией труднодоступных районов. Последнее обстоятельство особенно важно для стран, в которых имеются малонаселенные районы или горные массивы, где прокладка электросетей экономически нецелесообразна.

Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины.

Кстати, в течение долгого времени теории строительства плотин не существовало. Только в 1853 году французский инженер Сазилли обосновал некоторые теоретические постулаты. Плотины обеспечивают повышение уровня воды в реке или ее отвода. В последнем случае плотины обеспечивают судоходство или орошение земель.

Плотины могут отличаться в зависимости от конструкции и разделяться на две группы:

♦ гравитационные плотины выглядят как каменные или бетонные заграждения и препятствуют поступлению воды своим весом;

♦ арочные плотины выполняют свои обязанности благодаря особой конструкции.

Успешное функционирование арочных плотин зависит от трех показателей:

♦ сопротивления вертикальных элементов сооружения;

♦ массы и особенностей арочной конструкции, которая опирается на береговые устои.

При возведении плотины необходимо учитывать воздействие некоторых внешних факторов. Это так называемые сдвигающие силы, появление которых обусловлено воздействием воды, ветра, ударами

волн, перепадами температуры. Пренебрежение строителей к вышеперечисленным факторам может привести к разрушению плотины. Поэтому производятся определенные расчеты, позволяющие воспрепятствовать негативному действию сдвигающих сил.

Например, горизонтальная составляющая давления воды увеличивается с глубиной и равна:

P_гop = w∙h

где w — вес единицы объема воды; h — глубина.

Очень важно и вместе с тем достаточно сложно точно рассчитать фильтрационное давление, которое воздействует на подошву конструкции из-за того, что под нее просачивается вода. Чтобы определить степень вероятности таких процессов, необходимо проведение исследований. При этом многое зависит от грунтового ложа. Если фундамент плотины установлен на гальке, речном песке, пористой породе, то давление на основание конструкции будет равно полному гидростатическому напору.

В том случае, когда основание плотины соединено со скальными породами при помощи цемента и щели практически отсутствуют, можно получить давление, равное всего лишь 10–40 процентам гидростатического напора.

Преимущества гидроэлектростанций очевидны:

♦ постоянно возобновляемый самой природой запас энергии;

♦ простота эксплуатации;

♦ отсутствие загрязнения окружающей среды.

Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса (http://www.apxu.ru).

Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала Земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию (http://ru.teplowiki.org/).

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема плотины ГЭС

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Таким образом, в гидроэлектростанции кинетическая энергия падающей воды используется для производства электроэнергии. Турбина и генератор преобразовывают энергию воды в механическую энергию, а затем — в электроэнергию. Турбины и генераторы установлены либо в самой дамбе, либо рядом с ней. Иногда используется трубопровод, чтобы подвести воду, находящуюся под давлением, ниже уровня дамбы или к водозаборному гидроузлу гидроэлектростанции (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Структурная схема работы ГЭС

Мощность гидроэлектростанции определяется, прежде всего, по функции двух переменных:

♦ расход воды, выраженный в кубических метрах в секунду (м³/с);

♦ гидростатический напор, который является разностью высот между начальной и конечной точкой падения воды.

Проект станции может основываться на одной из этих переменных или на обеих.

Причина в том, что объем воды, падающий вертикально, несет в себе большой заряд кинетической энергии, которую можно легко преобразовать в механическую (вращательную) энергию, необходимую для производства электричества.

Оборудование для гидроэнергетики достаточно хорошо разработано, относительно простое и очень надежное. Поскольку никакая теплота в процессе не присутствует (в отличие от процесса горения), оборудование имеет продолжительный срок службы, редко случаются сбои. Срок службы ГЭС — более 50 лет. Многие станции, построенные в двадцатые годы XX века — первый этап расцвета гидроэнергетики — все еще в действии.

Так как всеми существенными рабочими процессами можно управлять и контролировать их дистанционно через центральный узел управления, непосредственно на месте требуется небольшой технический персонал. В настоящее время накоплен уже значительный опыт по работе гидроэлектростанции мощностью от 1 кВт до сотен мегаватт.

График нагрузки определенного района или города, который представляет собой изменение во времени суммарной мощности всех

потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одно время суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другое время часть генераторов или электростанций может быть отключена или может работать с уменьшенной нагрузкой.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

♦ мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;

♦ средние — до 25 МВт;

♦ малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Задачу снятия пиков потребления энергии решают гидроакумулирующие станции (ГАЭС), работая следующим образом. В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединенных системах минимальная, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы. В режиме непродолжительных «пиков» — максимальных значений нагрузки — ГАЭС работает в генераторном режиме и тратит накопленную в верхнем водохранилище воду.

ГАЭС стали особенно эффективными после появления оборотных гидротурбин, которые выполняют функции и турбин, и насосов. Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от КПД, под которым относительно этих станций понимается отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсходованной в насосном режиме.

Экономия топлива при использовании ГАЭС достигается за счет догрузки теплового оборудования для зарядки ГАЭС. При этом потребляется меньше топлива, чем для производства пиковой электроэнергии на ТЭС или газотурбинной электростанции. Кроме того, режим ее зарядки оказывает содействие введению в эксплуатацию базовых электростанций, которые будут вырабатывать энергию с меньшими удельными затратами топлива.

Первые ГАЭС в начале XX ст. имели КПД, не больше 40 %, в современных ГАЭС КПД составляет 70–75 %. К преимуществам ГАЭС, кроме относительно высокого значения КПД, относится также и низкая стоимость строительных работ. В отличие от обычных гидроэлектростанций, здесь нет необходимости перекрывать речки, строить высокие дамбы с длинными туннелями и т. п.

Принцип действия (аккумулирования) гидроаккумулирующей станции заключается в преобразовании электрической энергии, получаемой от других электростанций, в потенциальную энергию воды. При обратном преобразовании накопленная энергия отдается в энергосистему главным образом для покрытия пиков нагрузки (подробности на http://pusk.by/bse/).

Гидротехнические сооружения ГАЭС (рис. 4.3) состоят из двух бассейнов, расположенных на разных уровнях, и соединительного трубопровода. Гидроагрегаты, установленные в здании ГАЭС у нижнего конца трубопровода, могут быть:

♦ или трехмашинными, состоящими из соединенных на одном валу обратимой электрической машины (двигатель-генератор), гидротурбины и насоса;

♦ или двухмашинными — обратимая электромашина и обратимая гидромашина, которая в зависимости от направления вращения может работать как насос или как турбина. В конце 1960-х гг. на вновь вводимых ГАЭС стали устанавливать более экономичные двухмашинные агрегаты.

Рис. 4.3. Гидроаккумулирующая электростанция:

_{а — вертикальный разрез; б — план}

Электроэнергия, вырабатываемая недогруженными электростанциями энергосистемы (в основном в ночные часы суток), используется ГАЭС для перекачивания насосами воды из нижнего водоема в верхний, аккумулирующий бассейн. В периоды пиков нагрузки вода из верхнего бассейна по трубопроводу подводится к гидроагрегатам ГАЭС, включенным на работу в турбинном режиме. Выработанная при этом электроэнергия отдается в сеть энергосистемы, а вода накапливается в нижнем водоеме.

Количество аккумулированной электроэнергии определяется емкостью бассейнов и рабочим напором ГАЭС. Верхний бассейн ГАЭС может быть искусственным или естественным (например, озеро); нижним бассейном нередко служит водоем, образовавшийся вследствие перекрытия реки плотиной.

Одно из достоинств ГАЭС состоит в том, что они не подвержены воздействию сезонных колебаний стока. Гидроагрегаты ГАЭС в зависимости от высоты напора оборудуются поворотно-лопастными, диагональными, радиально-осевыми и ковшовыми гидротурбинами.

Время пуска и смены режимов работы ГАЭС измеряется несколькими минутами, что предопределяет их высокую эксплуатационную маневренность. Регулировочный диапазон ГАЭС, из самого принципа ее работы, близок двукратной установленной мощности, что является одним из основных ее достоинств.

Способность ГАЭС покрывать пики нагрузки и повышать спрос на электроэнергию в ночные часы суток делает их действенным средством для выравнивания режима работы энергосистемы и, в частности, крупных паротурбинных энергоблоков. ГАЭС могут быть с суточным, недельным и сезонным полным циклом регулирования.

Наиболее экономичны мощные ГАЭС с напором в несколько сотен метров, сооружаемые на скальном основании. Общий КПД ГАЭС в оптимальных расчетных условиях работы приближается к 0,75; в реальных условиях среднее значение КПД с учетом потерь в электрической сети не превышает 0,66.

ГАЭС целесообразно строить вблизи центров потребления электроэнергии, т. к. сооружение протяженных линий электропередачи для кратковременного использования экономически не выгодно. Обычный срок сооружения ГАЭС около 3 лет.

Малые гидроэлектростанции обычно обладают всеми преимуществами больших ГЭС, но при этом предоставляют возможность подавать энергию децентрализовано. Кстати малые ГЭС выгодно отличаются и отсутствием некоторых недостатков, присущих большим станциям. Это, например, уменьшение или полное отсутствие негативного влияния на окружающую среду.

Малая энергетика позволяет каждому региону использовать собственные ресурсы. На сегодняшний день в мире эксплуатируется несколько тысяч малых гидроэлектростанций. Малые станции производят электроэнергию в тех случаях, когда уровень воды в реке достаточен для этого. Если малая гидроэлектростанция дополнена аккумуляторной системой, то существует возможность накопления полученной энергии, что помогает избежать перебоев в подаче электричества. Особый интерес малая гидроэнергетика представляет для развивающихся стран, поскольку не требует сложного и дорогостоящего оборудования.

В России зоны децентрализованного энергоснабжения составляют более 70 % территории страны. До сих пор у нас можно встретить населенные пункты, в которых электричества не было никогда. Причем не всегда это поселения Крайнего Севера или Сибири. Электрификация не затронула, например, некоторые уральские поселки — края, который вряд ли назовешь неблагополучным с точки зрения энергетики.

Между тем, электрификация отдаленных и труднодоступных населенных селений — дело не такое уж и сложное. Так, в любом уголке России найдется речка или ручей, где можно установить микроГЭС.

Малые и микроГЭС — объекты малой гидроэнергетики. Эта часть энергопроизводства занимается использованием энергии водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт).

Малая энергетика получила развитие в мире в последние десятилетия, в основном из-за стремления избежать экологического ущерба, наносимого водохранилищами крупных ГЭС, из-за возможности обеспечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных районах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств (в пределах 5 лет).

Поэтому разумен курс на использование именно малых и микрогидроэлектростанций в связи с тем, что они:

♦ являются альтернативным, надежным и экологически чистым источником электрической энергии;

♦ просты в изготовлении;

♦ не загрязняют водоемы и окружающую среду;

♦ имеют максимально упрощенную конструкцию с минимальным числом регулирующих органов.

♦ полностью автоматизированы, т. е. не требуют присутствия человека при эксплуатации;

♦ требуют минимум затрат на установку и обслуживание в процессе эксплуатации;

♦ вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению, причем станции могут работать как в автономном режиме, т. е. вне электросети энергосистемы области, так и в составе этой электросети;

♦ полный ресурс работы станции — не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта).

По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разделить на следующие категории:

♦ новые русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами;

♦ станции, использующие скоростную энергию свободного течения рек;

♦ станции, использующие существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства — от судоходных сооружений до водоочистных комплексов.

Использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС является одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии и в нашей стране.

Гидроагрегат малой ГЭС (МГЭС) состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления.

Гидроагрегат состоит из трех частей:

♦ энергоблока;

♦ водозаборного устройства;

♦ устройства автоматического регулирования.

Используются микроГЭС как источники электроэнергии для дачных поселков, фермерских хозяйств, хуторов, а также для небольших производств в труднодоступных районах — там, где прокладывать сети невыгодно.

В настоящее время он определен в размере 60 млрд. кВт-ч в год. Но используется этот потенциал крайне слабо: всего на 1 %. Не так давно, в 1960-х годах, у нас действовало несколько тысяч МГЭС. Сейчас — всего лишь несколько сотен — сказались результаты перекосов в ценовой политике и недостаточное внимание к совершенствованию конструкций оборудования, к применению более совершенных материалов и технологий.

Природа дает нам самый неприхотливый способ добычи энергии. Увы, мы им почти не пользуемся. Остается только надеяться, что в дальнейшем, при развитии малого производства, необходимость в использовании энергии бесчисленного количества естественных водоемов России все-таки возникнет.

4.2. Создаем гидроэлектростанции своими руками

Рассмотрим конструкцию: на длинном стальном тросе, перекинутом с одного берега речки на другой, укреплена гирлянда гидророторов. Поток воды вращает их, а вместе с ними и трос. Если соединить конец троса с генератором постоянного тока, генератор начнет вырабатывать электричество. А если к тросу присоединить вал насоса, он будет еще и качать воду на приусадебный участок, огород, бахчу рис. 4.4.

Рис. 4.4. Электростанция на гидророторах

Мощность такой самодельной «ГЭС» зависит не только от скорости течения реки, но и от числа гидророторов, их размеров. Следовательно, присоединяя к тросу дополнительные пары гидророторов, мы можем пропорционально ее увеличивать.

В данном случае рассмотрен движитель, который будет вращать генератор от легкового автомобиля. Напряжение, вырабатываемое генератором, — 12 В, а мощность — до 150 Вт.

Готовимся к постройке гидростанции. Прежде чем приступать к постройке гидростанции, подберите генератор. Заготовьте материалы: трос, доски, кровельное железо, стальной пруток и полосы.

На выбранном участке длиной 15–20 м наметьте два поперечных створа и, пользуясь поплавком, например, щепкой, определите скорость течения. Бросьте поплавок в воду немного выше верхнего створа и по секундомеру отсчитайте время, за которое плавок проплывет расстояние от верхнего створа до нижнего.

Бросая поплавок на разное расстояние от берега, сделайте несколько таких замеров. А потом подсчитайте среднюю скорость течения реки. Если она не меньше 0,8 м/с, смело приступайте к строительству.

Длину троса вам подскажет ширина реки. Все остальные узлы и детали даны на рис. 4.4. Подробности см. на http://www.audens.ru/ или в приложении к журналу «Юный техник» № 6 — 1982 г.

Каждый гидроротор состоит из двух полуцилиндров, ограниченных дисками и смещенных относительно друг друга. Гидророторы попарно прикреплены к тросу. В каждой паре один гидроротор повернут относительно другого на угол 90°. Это сделано для того, чтобы получить равномерное вращение каждой пары, иначе трос будет закручиваться рывками. Трос все время растянут и в таком положении передает вращение на генератор, находящийся на берегу.

Береговые опоры — это доски и короткие бревна, врытые в грунт и связанные между собой стальными полосами (рис. 4.4). На одном берегу на такой опоре устанавливают генератор с редуктором (см. левую половину рисунка), а на другом — свободную опору с упорным подшипником и крюком, которые позволяют тросу вращаться.

Конец троса, идущий к генератору, перекинут через ролик и закреплен. Ролик крепится к выходному валу редуктора тоже крюком.

Установленная поперек течения речки гирлянда держится на поверхности, почти не выступая над ней.

Когда нужно снять гирлянду, вынимают чеку из отверстия в крюке и снимают узел упорного подшипника вместе с концом троса. Снятую гирлянду укладывают по течению речки вблизи от берега.

Изготовление деталей и узлов самодельной ГЭС. Трос играет роль гибкого вала. Он металлический, диаметром 10 мм. Его длина должна быть процентов на 10–15 больше ширины речки. Трос должен иметь законцовки: на одну опирается упорный подшипник, установленный на свободной опоре, через вторую на трос надеваются гидророторы. Обе законцовки пропаиваются оловом или твердым припоем.

Начинать следует с конца троса, через который надеваются гидророторы. Прежде всего, покрепче стяните его тремя витками стальной проволоки диаметром 0,2–0,5 мм, чтобы он не расплелся. Прежде чем пролудить конец троса, опустите его в бутыль с паяльной кислотой (соляная кислота, травленная цинком), а затем — в тигель с расплавленным оловом.

Операцию повторите 2–3 раза, пока не образуется сплошная пленка припоя. Лишь после этого снимите витки проволоки и конец опилите до диаметра троса. Наконечник закруглите, чтобы его было удобнее продевать через диски гидророторов.

Под второй конец троса на токарном станке выточите втулку, внутренний диаметр которой равен диаметру троса, а толщина стенки — 1,5–2,5 мм. Вставьте во втулку стальной стержень, и в таком виде зажмите в тисках. Заостренным концом молотка короткими, но не сильными ударами отогните борта втулки на 45°. Затем наденьте ее на конец троса и, чтобы она пока не мешала, продвиньте немного вперед. Каждую проволочку троса на длине 20 мм согните вдвое и пролудите. Трос готов.

Узел упорного подшипника состоит из обоймы, подшипника и крепежной скобы. Обойму подшипника лучше изготовить из водопроводной трубы, внутренний диаметр которой равен диаметру упорного подшипника. Длина отрезка трубы 135 мм. С одного конца заложите в нее оправку, равную внутреннему диаметру трубы, и на наковальне или на толстой плите ударами молотка сплющите (лучше предварительно трубу разогреть докрасна). Затем просверлите отверстия диаметром 12,5 и диаметром 4,2 мм и закруглите края напильником. Упорные подшипники подберите готовые, от старых авто- или сельскохозяйственных машин.

Крепежную скобу сделайте из стальной проволоки диаметром 6 мм. Разрежьте ее на куски длиной по 60 мм и запилите концы. Потом плашкой нарежьте резьбу М6 на длину 10 мм. Полученный стержень согните — скоба готова. Скобу упорного подшипника делают так же.

Порядок сборки. Наденьте на трос подшипник и продвиньте его до упора (до втулки). Вложите его в обойму и скрепите крепежной скобой. Чтобы в подшипник не попадал песок, между ним и скобой проложите фетровую прокладку.

Гидроротор состоит из пар дисков и полуцилиндров, изготовленных из кровельного железа толщиной 0,5–0,8 мм. Начнем с того, как делать диски. На листе кровельного железа прочертите окружности. По рискам ножницами по металлу аккуратно вырежьте заготовки, а потом, чтобы увеличить жесткость и, кроме того, не порезаться, согните в два приема края заготовок. Сначала под прямым углом заготовка станет похожей на крышку от коробки из-под гуталина. Затем в тисках отогните борта молотком полностью. Получится утолщенная кромка.

Вырезать прямоугольные заготовки для полуцилиндров не составит труда. Дополнительную прочность им придадут стальные спицы диаметром 3 мм, которые надо закатать в края. Как это делается, показано на http://www.audens.ru/ или в приложении к журналу «Юный техник» № 6 — 1982 г. Кроме того, боковые края заготовок надрежьте до штриховых линий и согните на оправке под углом 90°. А потом на круглом полене 0 80—100 мм согните заготовки в полуцилиндры.

Полуцилиндры и диски скрепите между собой заклепками, винтами или точечной сваркой. Гидророторы готовы. Но прежде чем надевать их на трос, сделайте прорезные накладки и скобы.

Прорезная-накладка — это диск, диаметр которого меньше диаметра диска ротора. Изготовление накладок аналогично изготовлению дисков. Все заготовки должны иметь центральное отверстие, через которое проходит трос, и паз для скоб. Чтобы получить паз, сначала расширьте половину центрального отверстия готовой заготовки полукруглым напильником до окружности 0 16 мм, а потом сделайте в дисках пропилы длиной 18 мм.

Но так как обычное ножовочное полотно в такое отверстие не пройдет, сточите его на наждаке под ширину 15 мм. Ширину паза расширьте надфилем до размера 2,8 мм.

Скобы 70x40 мм вырежьте из стальной полосы толщиной 2,5 мм. Вдоль продольной оси каждая скоба должна иметь полукруглый паз глубиной 4 мм. Чтобы его было проще сделать, нагрейте заготовку на огне до красного каления, положите на тиски и через накладку ударами молотка осадите металл до требуемой глубины.

Соединение гидророторов. Гидроротор со скобой входит в вырез накладки. В каждой паре, напоминаем, один из гидророторов должен быть развернут на 90°. Трос жестко притянут болтовой дужкой к стягивающей скобе. Осевое перемещение прицепного гидроротора ограничено мягкой проволокой, которая одной стороной продета в дужку; а второй закреплена на шайбе. Такое соединение обеспечивает передачу мощности с гидророторов на трос, а также необходимую свободу при перемещении одного гидроротора относительно другого.

Крюки изготовьте из стального прутка диаметром 16 мм. Прежде чем сгибать заготовку, нагрейте ее. В крюке ролика просверлите отверстие диаметром 2 мм под шплинт; в крюке упорного подшипника — диаметром 4,2 мм под чеку.

Ролик выточите на токарном станке или склепайте из трех дисков — одного толщиной 10 мм и двух других — по 3 мм. Материал — сталь, латунь.

Кол выстругайте из твердого дерева и набейте на него стальные кольца — отрезки трубы с внутренним диаметром 28 мм. Вместо деревянного кола можете взять отрезки стальных труб, вбив в них заглушки с наконечниками, как показано на рис. 4.4.

Устройство передачи. Трос должен вращаться со скоростью 3–4 оборота в секунду. Генератор же может вырабатывать электрический ток при 1000–1500 оборотах в минуту. Чтобы получить такую частоту вращения на генераторе, нужен повышающий редуктор с передаточным отношением от 5 до 10. Его можно сделать самим или приобрести в магазине.

Практические советы. Вы изготовили детали, собрали узлы и, наконец, установили их на береговых опорах. Через реку перекинули трос с гидророторами — электростанция начала вырабатывать электрическую энергию. Немного, всего 150 Вт, но и этого количества вполне хватит, чтобы в полный накал горело несколько лампочек, рассчитанных на рабочее напряжение 12 В. А вот как быть, если вам потребуется мощность в несколько раз большая, например, для питания насоса с электрическим приводом? Тогда можно собрать несколько таких электростанций. Разумеется, на воде гирлянды следует установить параллельно и на некотором отдалении друг от друга. Также параллельно подсоедините проводники от генераторов к линии электропередачи.

Рассмотрим конструкцию простой тросовой гирляндной миниГЭС с турбинно-тросовым гидроприводом, который вращается от потока течения реки. Ее предложил академик, д.т.н. Дудышев В. Д. на http://energyftiture.ru/mini-ges-svoimi-rukami. На рис. 4.5 показана, упрощенная конструкция такой минигидроэлектростанции.

В качестве гидроколес (роторов) в тросовом гидроприводе миниГЭС 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.

Рис. 4.5. Минигидроэлектростанция

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 м/с!

Если опоры с подшипниками и электрогенератором установить на дно реки, и подшипники с генератором поднять выше уровня реки, а все 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 м. Тепловую энергию в такой ГЭС можно получить путем подключения электронагревателей к электрогенератору.

Роторы гирляндной 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 гирляндной ГЭС не превышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м вполне возможно использовать роторы, расположенные в два ряда.

Речную электростанцию (РЭС) создал и описал Рогозин М. Н. (http://www.rosinmn.ru/gidro)

Устройство. Речная электростанция (рис. 4.6) содержит корпус цилиндрической формы с размещенной внутри его гидротурбиной. Корпус с гидравлическим аккумулятором неподвижно установлен в земляном или бетонном основании. Гидротурбина посредством вала кинематически связана с электрогенератором. Речная электростанция также содержит водозаборник в форме корытообразной прямоугольной призмы, который снабжен шлюзовым отсеком (шлюзом) и обводным каналом — водоводом, содержащим не менее двух магистралей цилиндрической формы, сопряженных с соплами эллипсообразной формы.

Рис. 4.6. Схема речной электростанции

Корпус РЭС выполнен цилиндрической формы из высокопрочного, устойчивого к химическим средствам материала, например из чугуна, железобетона, керметных материалов. Диаметр корпуса выбирается с учетом требуемых гидроэнергетических параметров водяного потока, размеров гидротурбины, величины номинальной мощности. РЭС и может составлять величину 2—10 м.

Водозаборник РЭС представляет корытообразную прямоугольную призму. Он выполнен из устойчивого к химическим средам материала, например, из железобетона, синтетических полимеров. Его габариты зависят от размеров реки, на которой он устанавливается.

В его центральной стене, на которую воздействует речной поток, установлен шлюз стандартной конструкции. Шлюз обеспечивает сброс лишней воды весной во время половодий и в момент сильных дождей.

В нижней части центральной стены размещен водовод, нижняя стенка которого размещена на уровне дна водозаборника. Водовод в сечении по ширине выполнен замкнутым эллипсообразным с неизменным сечением и горизонтальным расположением большой оси эллипса, изготовлен из железобетона или синтетики и снабжен со стороны центральной стены водозаборника фильтром — защитной сеткой (на фигурах не показано). Толщина дна, боковых стен и центральной стены водозаборника зависят от его размеров и составляют от 0,5 до 1 м. Водовод неизменной эллиптической формы и сечения расчленяется на магистрали цилиндрической формы, число которых не менее двух.

Площадь сечения и длина вывода зависят от глубины речного потока, его ширины, мощности РЭС. Большая ось эллиптического сечения у центральной стены составляет 10–30 м, а малая ось — 2…6 м. Длина эллиптической части водовода составляет 0,2–0,5∙l, где l — общая длина водовода с магистралью и соплом.

Длина расчлененных магистралей зависит от места расположения корпуса РЭС и составляет 0,2–0,4/. Магистрали сопрягаются с соплами, выполненными эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте.

В корпусе РЭС в зоне размещения лопаток гидротурбины по образующей размещены тангенциально сопла магистралей, которые сдвинуты друг относительно друга в плоскости образующей на одинаковые расстояния или угла а = 180°, 120°, 90°, 45° и установлены большой осью эллиптического сечения вертикально. Экспоненциальное сечение сопл и вертикальная установка их большой осью в корпусе РЭС обеспечивает максимальное повышение гидродинамических свойств водяного потока и скорости его течения.

Сопла эллиптического сечения сужаются по пологой экспоненте, являются продолжением зоны гидродинамического ускорения речной воды, их длина составляет 5—15 м, а их большая эллиптическая ось равна 0,5–3 м. Экспоненциальное сужение сопла может быть заменено коническим сужением.

Корпус РЭС нижним основанием сопряжен с гидравлическим аккумулятором, верхняя часть корпуса которого выполнена в виде усеченного пустотелого конуса и сопряжена большим основанием со второй своей частью в форме полусферического пустотелого тела вращения.

Такая конструкция гидравлического аккумулятора воспринимает вращение создаваемого соплами потока и образует маховик, что обеспечивает оптимальное вращение водяного потока на требуемых оборотах, его резкое ускорение вверх без затухания вращательного движения водяного потока в корпусе РЭС. Гидравлический аккумулятор также выполнен из прочного, устойчивого к агрессивным средам материала. Соотношение конической и сферической частей гидравлического аккумулятора составляет 3:1–1:1. Корпус РЭС смонтирован с гидротурбиной на земляном или бетонном основании вертикально.

Водовод со стороны водозаборника сопряжен внутренней стороной с центральной стеной водозаборника овальной кривой для получения оптимального коэффициента истечения m на уровне m = 0,9. Аналогично наружные кромки сопл выполнены полукруглыми.

Гидротурбина стандартного типа с вертикальным расположением лопастей размещена вертикально в верхней части корпуса РЭС на подшипниках-опорах требуемых габаритов и мощности. На шейке вала гидротурбины может быть размещен гидравлический метатель (на рис. 4.7 не показан), который выполнен в виде сегнерового колеса. Это дополнительно повышает крутящий момент на валу гидротурбины, то есть ее мощность. Выше гидротурбины на корпусе РЭС размещены выпускные сопла, выше уровня речной воды, через которые осуществляется слив прошедшего через гидротурбину водяного потока в сливной канал.

Электрогенератор смонтирован на верхнем сечении корпуса и выбран стандартной формы на заданную мощность. Для обеспечения нормальной скорости вращения ротора электрогенератора он может содержать редуктор, связанный с валом гидротурбины.

Работа речной электростанции. Речная электростанция работает следующим образом (рис. 4.7). При размещении РЭС на малой реке с достаточно высокими берегами в водозаборнике накапливается уровень речной воды и создается по уровню водовода водяной напор. Вследствие тангенциального размещения сопел происходит преобразование поступательного движения водяного потока в цилиндрическом корпусе. Получив от гидравлического аккумулятора вращательно-поступательные движения, вращающийся водяной поток в цилиндрическом корпусе воздействует на лопатки гидротурбины, заставляя ее вращаться с заданной скоростью.

Рис. 4.7. Сечение корпуса и водовода ГЭС

Вал гидротурбины приводит во вращение ротор электрогенератора с требуемой скоростью, которая при необходимости корректируется редуктором.

Происходит непрерывная выработка электрической энергии электрогенератором. Избытки накопленной в водозаборнике речной воды по сверхдопустимому уровню непрерывно отводятся шлюзом в продолжение русла реки.

В результате того, что корпус РЭС цилиндрической формы смонтирован вертикально, снабжен гидравлическим аккумулятором в виде пустотелого конуса, сопряженного большим основанием с пустотелой замкнутой полусферой. При этом водовод содержит не более двух магистралей цилиндрической формы, сопряженных с соплами эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте. Следует отметить, что сопла размещены концентрично по корпусу и расположены тангенциально по вертикали большей эллиптической осью, решается поставленная техническая задача.

В сравнении с прототипами и аналогами упрощается конструкция речной электростанции, повышается ее КПД, оптимально используется энергия малых рек.

Созданная речная электростанция, ширина водозаборника которой составляет 20 м, высота 3 м, диаметр магистралей до 2 м и большая ось эллиптического сечения сопел составила 1,5 м, позволяет генерировать энергию 300–800 кВт. При этом ее КПД больше чем в 1,5 раза превышает КПД речных электростанций-аналогов.

4.3. Выбираем и устанавливаем малые гидроэлектростанции

В 1990-х годах в связи с сокращением объемов крупного гидроэнергетического строительства в России частично переориентировали свое производство на нужды малой гидроэнергетики:

♦ АО «ЛМЗ» и АО «НПО ЦКТИ» (г. Санкт-Петербург);

♦ АО «Тяжмаш» (г. Сызрань) и др.

Одновременно возникли, в том числе, в рамках конверсии, малые предприятия и акционерные компании, производящие оборудование для МГЭС. Среди них наиболее известны:

♦ АО «МНТО Инсет» и НПЦ «Ранд» (г. Санкт-Петербург);

♦ АО «Напор», АО «НИИЭС», АО «Энергомаш» (Москва).

В числе поставщиков оборудования следует отметить также региональные организации, входившие когда-то во Всесоюзный институт «Гидропроект». В настоящее время на российском рынке имеются:

♦ комплектные гидроагрегаты с системами автоматического управления и регулирования для сетевых и автономных МГЭС на напоры от 1 до 250 м;

♦ нестандартное гидромеханическое, подъемное оборудование;

♦ напорные трубопроводы, предтурбинные затворы;

♦ трансформаторные подстанции, распределительные устройства и другие компоненты, необходимые для строительства объектов малой энергетики.

Для МГЭС с использованием статического напора применяются гидроагрегаты с радиально-осевыми, пропеллерными, ковшовыми, наклонно- и поперечно-струйными, фронтальными гидротурбинами упрощенной конструкции.

Для МГЭС с использованием скоростного напора применяются гидротурбины типа «Дарье», «Уэллс», «Савониус» и др. Генераторы для малых ГЭС производят АО «Электросила» (г. Санкт-Петербург), АО «Урал-электротяжмаш», АО «Привод» (г. Лысьва), АО «СЭГПО» (г. Сарапул), АО «СЭЗ» (г. Сафоново) и др.

Рассмотрим рукавные всесезонные гидроэлектростанции Луч-1, Луч-2, Луч-4 и Луч-10 мощностью 1, 2, 4 и 10 кВт (подробности на http://www.306.ru/mges.htm). Они предназначены для выработки электроэнергии без сооружения плотины за счет использования энергии самотечного потока. Основные технические характеристики рукавных микроГЭС приведены в табл. 4.1.

При использовании каскадного монтажа данные рукавные микроГЭС могут использоваться как в малых хозяйствах, так и для промышленного производства электроэнергии, особенно в местах, удаленных от ЛЭП (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Схема рукавной гидроэлектростанции

Конструктивно микроГЭС состоит из энергоблока, блока управления, блока возбуждения, блока нагрузки и рукавного водовода.

Энергоблок выполнен в виде рамы, на которой расположены направляющий аппарат, двухкратная турбина и электрический генератор. Для удобства эксплуатации блок управления, блок возбуждения и блок балластных нагрузок смонтированы вместе с энергоблоком на той же раме. Все узлы на раме закрыты кожухом.

Водовод состоит из водозаборного устройства, переходника и напорных рукавов (или труб).

Срок службы микроГЭС не менее 10 лет. МикроГЭС — надежные, экологически чистые, компактные, быстроокупаемые источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дольше и дороже, чем приобрести и установить микроГЭС.

Срок окупаемости установки не превышает 2-х лет. Опытный образец рукавной микро ГЭС прошел испытания на натурном водном полигоне.

Мини-гидроэлектростанции (рис. 4.9) предназначены для обеспечения электроэнергией удаленных и отрезанных от внешнего мира удаленных объектов (подробности на http://alt-energy.org.Ua/2009/05/l0/mini-gidroelektrostancii/). Для успешной и экономичной работы гидроэлектростанции достаточно иметь небольшой ручей (или иной водоток) с перепадом уровней в 1–2 м и расходом воды от 90 л/с.

Рис. 4.9. Внешний вид в разрезе

В условиях холмистого рельефа мини-ГЭС просто незаменимы! В комплект поставки входят энергоблок, устройство автоматического регулирования, устройство возбуждения и водозаборный агрегат. Монтаж станции весьма прост.

Например, миниГЭС 7.5ПР можно смонтировать практически вручную: масса брутто (в упаковке) энергоблока не превышает 250 кг. Основные технические характеристики миниГЭС приведены в табл. 4.2. Параметры тока 230 В 50 Гц.

Сотни литров воды используются сегодня в каждом городском доме. Независимо от того, расходуете ли вы ее, чтобы убрать в квартире, помыть посуду или просто для расслабляющегося душа, в конечном счете, вся эта вода спускается в канализацию.

Новый концепт от Jinwoo Han позволит частично использовать энергию воды, текущую по трубам, для получения электроэнергии (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Внешний вид мини-турбины Hydro

Мини-турбина Hydro разработана для получения электричества использую давление воды в трубах. Устройство может быть подключено к любой трубе у вас в квартире. Вода, пробегая через устройство, активизирует гидроэлектрическую турбину, которая вырабатывает электричество и собирает его в аккумуляторе, который связан с отдельной розеткой.

Мини-турбина Hydro — это концепт гаджета, позволяющего вырабатывать электроэнергию для бытовых нужд используя давление воды в трубах (http://techvesti.ru/node/918).

Гидравлическое давление заставляет вращаться лопасти турбины, закрепленной на генераторе. Устройство оборудовано аккумулятором и розеткой на 220 В, в которую можно включать бытовые электроприборы.

Вырабатываемое турбиной электричество, может использоваться для подзарядки аккумуляторов от различных устройств, что, в конечном итоге, ведет к экономии электричества. Просто и эффективно!