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

Принцип работы мини ГЭС

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

Классификация устройств

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

1. Принципу действия

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

2. Возможности применения

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

3. По конструкции турбины

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

4. По условиям монтажа

Плюсы и минусы устройства

К преимуществам использования можно отнести:

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

К минусам использования относятся:

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

Производители установок и оборудования

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

Из зарубежных фирм успешно работающих в этой области бизнеса это

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

В России на этом рынке работают

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

Мини ГЭС своими руками

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

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

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

Вариант самодельной мини ГЭС с вертикальной установкой колеса

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

Система готова к работе.

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

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

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

Виды микро ГЭС

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

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

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

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

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

Немного теории о микро ГЭС и базовые расчеты.

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

Мощность N=k*9.81*1000*Q*H,

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

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

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

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

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

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

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

Практика: строим микро-ГЭС сами

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

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

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

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

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

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

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

Именно на этом месте Мы попытаемся сделать нашу новую гидроэлектростанцию. Ранее на этом пруду уже были предприняты попытки создания самодельной ГЭС из беличьего колеса с ременной передачей на генератор (она кстати показана на фото в конце статьи), который давал ток около 1Ампера, этого было достаточно для питания нескольких лампочек и радиоприемника в нашем маленьком охотничьем домиком. Данная электростанция успешно проработала более 2-х лет, и мы решили создать на месте этой мини плотины более мощный вариант аналогичный вариант гидроэлектростанции.

Для изготовления мини плотинной ГЭС на м понадобится:

Обрезки листового металла и уголки;
- Диски для колеса (использовались от корпуса вышедшего из строя генератора фирмы Onan);
- Генератор (его сделали из двух дисков диаметром 11 дюймов от дисковых тормозов Доджа);
- Ведущий вал и подшипники – вроде бы тоже от Доджа, мы не помним точно, так сняли их своими руками с какой-то другой самоделки;
- медная проволока сечением примерно 15 мм;
- немного фанеры;
- магниты;
- полистироловая смола для заливки ротора и статора.

Процесс изготовления

Лопасти ведущего колеса делаем из разрезанной на 4 части 4-х дюймовой стальной трубы.

Мы сделали шаблон, который помог заложить из отверстия, Боковые поверхности колеса – диски диаметром 12 дюймов.

Делаем шаблон, с помощью которого размечаем отверстия для ступиц (5 штук), а также позицию угол лопастей. В таком колесе, если посмотреть сбоку, вода бьет сверху, примерно в районе 10 часов, проходит через середину колеса и выходит внизу, на 5 часах, так что вода бьет по колесу два раза. Мы пересмотрели большое число фотографий и попытались смоделировать ширину и угол лопастей. На фото сверху – разметка для краев лопастей и отверстия для крепления колеса к генератору. В колесе 16 лопастей.

Шаблон приклеили к одному из дисков – будущей боковой поверхности колеса, оба диска мы зажали вместе. На фото выше – сверление маленьких отверстий для позиционирования лопастей.

Делаем зазор между дисками в 10 дюймов, используя шпильки со сплошной резьбой, и максимально аккуратно выравниваем их перед установкой лопастей.

Процесс сварки колеса показан на фото выше. Очень важно, чтобы лопасти сделаны из оцинкованной стальной трубы. Перед сваркой необходимо зачистить цинк с краев лопастей, так как при сварке гальванизированный металл выделяет токсичный газ, чего мы стараемся избежать.

Готовое колесо нашей будущей гэс, без генератора. На, другой стороне колеса (противоположной генератору) в боковом диске есть отверстие в 4 дюйма диаметром – для удобства прикручивания к генератору, а также для очистки, чтобы засунуть руку и вынуть палки и прочий мусор, который может занести внутрь вода.

Сопло имеет такую же ширину (10 дюймов), что и колесо, и около 1 дюйма высоты с того конца, где выходит вода. Площадь сопла чуть меньше, чем 4-х дюймовая труба, на которую сопло насажено. На фото сверху – мы гнем металлический лист своими руками для сопла.

Насаживаем колесо на ось, наша ГЭС практически готова, осталось только сделать и установить генератор. Вся конструкция подвижная. Мы можем двигать сопло вперед, назад, вверх, вниз. Колесо и генератор могут двигаться вперед и назад.

Изготовление генератора для нашей ГЭС. >

Делаем обмотку статора и подготавливаем для заливки. Обмотка состоит из 9 катушек, каждая катушка состоит из 125 витков медной проволоки сечением 1,5 мм. Каждая фаза состоит из 3-х последовательно соединенных катушек, мы вывели наружу 6 концов, так что можем сделать соединение как звездой, так и треугольником.

А это статор – после заливки. (Для его заливки используем полиэстеровую смолу) Его диаметр 14 дюймов (35.5 см) , толщина 0,5 дюйма 1,3 см.

Делаем шаблон из фанеры – для разметки под магниты.

На фото – шаблон и один из тормозных дисков (будущий ротор).

Расставляем по подготовленному шаблону 12 магнитов размером 2,5 х 5 см, толщиной 1,3 см.

Заливаем ротор полиэстеровой смолой, и когда смола засохнет ротор будет готов к работе.

Вот так выглядит наша почти законченная гидроэлектростанция в сборе с генератором.

Фото с другой стороны. Под алюминиевой крышкой – два мостовых выпрямителя из 3-х фазного переменного тока в постоянный. Шкала амперметра – до 6А. В этом состоянии, когда воздушный зазор между магнитными роторами уменьшен до предела, машина выдает 12,5 вольт при 38 об/мин.

В заднем магнитном роторе, есть 3 настроечных винта для регулирования воздушного зазора, для того, чтобы генератор мог вращаться быстрее по необходимости, в надежде найти оптимум.

На досуге, участие в создании ГЭС принимало 17 человек.

Приступаем к изготовлению крепежных элементов, для этого сначала очищаем с листового металла и уголков всю ржавчину, грунтуем и красим, это конечно не обязательно, но так красивее, да и вид товарный будет.

Наш генератор с водяным колесом готов, осталось только установить его!

Было бы неплохо соорудить экран от брызг для генератора, который вращался бы вместе с колесом, но мы так и не нашли подходящего материала. Поэтому решили сделать это потом, если ГЭС заработает.

Еще фото генератора с водяным колесом. Сопло еще не установлено, оно сзади в кузове и мы скоро его поставим.

На фото – место где мы хотим ее поставить. 4-х дюймовая труба выходит снизу запруды, перепад около 3-х футов. Мы забираем только небольшую часть водяного потока.

Эта наша старая микро-ГЭС, проработавшая 2 года, включая зимы. Ее хватало на 1 Ампер (12 Ватт) или около того. Это беличье колесо, с ременной передачей на движок от компьютерного стримера фирмы Ametek. Натяжение ремня критично для успешной работы, его надо часто настраивать. Мы надеемся, что соорудили нечто лучше этого.

Вот и наша ГЭС на месте, производим ее настройку. Наконец, мы приходим к теоретически предсказанным параметрам: лучший результат получается, когда вода входит на 10 часов колесного диска, и выходит в районе 5 часов.

Заработало! Выход около 2 Ампер (1,9 если быть точным). Увеличить ток не удается. Настройки производить нелегко – каждое передвижение колеса требует соответствующего передвижения сопла, и наоборот. Еще мы можем изменять воздушный зазор и менять соединение со звезды на треугольник. Результат явно лучше у звезды – мощность выше, чем у треугольника при тех же оборотах. В итоге мы остановились на звезде, с зазором 1,25 дюйма (довольно много).

Машинку можно сделать чуть дешевле, если использовать менее мощные магниты и меньший воздушный зазор… или она может выдавать больше тока с теми же магнитами, меньшим зазором и катушками с большим количеством витков. Когда-нибудь мы этим займемся. А пока – колесо выдает 160 об/мин на холостом ходу, 110 об/мин под нагрузкой, производя 1,9 А х 12В.
Удовольствия мы получили море, было очень весело, да и мини-ГЭС неплохо работает. Нам все-таки нужен экран на генератор – в речке полно магнетитового песка! Каждые несколько часов приходится очищать магнитные роторы от песчаных нарастаний. Надо или ставить экран, или приделать пару мощных магнитов на входе в трубу.

По материалам сайта: Otherpower.com

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.