Гидроэлектростанция своими руками: как соорудить автономную мини-ГЭС

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.

Далее, определяется необходимая хозяйству мощность и геометрические особенности канала. Все эти показатели учитываются при выборе типа и конструкции устанавливаемой микро-ГЭС.

Что такое мини ГЭС

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; системы управления.
3. системы управления.

• 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

Оценка потенциальной мощности 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.

Виды мини-ГЭС

Мини-гидроэлектростанции чаще всего относятся к одному из следующих типов, которые различаются принципом работы: водяное колесо (традиционный тип, наиболее простой в исполнении), пропеллер (для потока шириной более десяти метров), гирлянда (для рек с несильным потоком; усиление скорости течения воды дают дополнительные сооружения, ротор Дарье (чаще – для промышленных предприятий). Преимущество этих вариантов в том, что они не требуют строительства плотины. Водяное колесо – это классический вид ГЭС, который наиболее популярен для частного сектора. Мини-гидроэлектростанции данного типа представляют собой большое колесо, способное вращаться. Его лопасти опускаются в воду. Вся остальная часть конструкции находится над руслом, заставляя двигаться весь механизм. Мощность передается через гидропривод генератору, вырабатывающему ток.

Пропеллерная станция – на раме в вертикальном положении располагается ротор и подводный ветроагрегат, опускаемый под воду. Ветряк имеет лопасти, которые вращаются под воздействием потока воды. Лопасти приводятся в движение за счет возникающей подъемной силы, а не за счет давления воды. Направление движения лопастей перпендикулярно направлению течения потока. Этот процесс похож на работу ветровых электростанций, только работает под водой.

Гирляндная ГЭС – представляют собой трос, натянутый над руслом и закрепленный в опорном подшипнике. На нем в виде гирлянды навешены и жестко закреплены турбины небольшого размера и веса (гидровингроторы). Они состоят из двух полуцилиндров. За счет совмещения осей при опускании в воду в них создается крутящий момент. Это приводит к тому, что трос изгибается, натягивается и начинает вращаться. В данной ситуации трос можно сравнивать с валом, который служит для передачи мощности. Один из концов троса соединен с редуктором. На него и передается мощность от вращения троса и гидровингроторов. Недостаток данного вида – создаваемая им опасность для окружающих. Подобного рода станции допустимо использовать только в безлюдных местах.

Ротор Дарье – мини-гидроэлектростанция, названная в честь ее разработчика Жоржа Дарье, – представляет собой ротор, на котором находятся лопасти. Для каждой из лопастей в индивидуальном порядке подбираются нужные параметры. Ротор опускается под воду в вертикальном положении. Лопасти вращаются за счет перепада давления, возникающего под действием протекания по их поверхности воды. Этот процесс подобен подъемной силе, заставляющей самолеты взлетать. Здесь направление потока не имеет значения, но конструкция достаточно сложна для монтажа. Построить водяную станцию для получения электроэнергии можно даже самостоятельно. Тем более что для частного дома количество необходимой энергии невелико.

РАЗНОВИДНОСТИ МИНИ-ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Существует большое количество разнообразных вариаций мини-ГЭС, каждая из которых имеет свои преимущества, особенности и недостатки. Выделяют следующие виды этих устройств:

• гирляндную;
• пропеллерную;
• ротор Дарье;
• водяное колесо с лопастями.

Гирляндная ГЭС состоит из троса, на котором закреплены роторы. Такой трос перетягивают через реку и погружают в воду. Поток воды в реке начинает вращать роторы, которые в свою очередь крутят трос, на одном конце которого расположен подшипник, а на втором – генератор.

Следующий вид – это водяное колесо с лопастями. Его устанавливают перпендикулярно водной глади, погружая меньше чем наполовину. Поскольку поток воды воздействует на колесо, оно вращается, и заставляет крутиться генератор для мини-ГЭС, на котором закреплено это колесо.

Что касается пропеллерной ГЭС, то представляет она собой ветряк, расположенный под водой с вертикальным ротором. Ширина лопастей у такого ветряка не превышает 2 сантиметров. Подобной ширины для воды хватает, ведь именно такой номинал позволяет производить максимальное количество электроэнергии при минимальном сопротивлении. Правда, эта ширина оптимальна только для скорости потока до 2 метров в секунду.

Что касается других условий, то параметры лопастей ротора рассчитывают отдельно. А ротор Дарье является вертикально расположенным ротором, действует который по принципу перепада давления. Все происходит аналогично с крылом самолета, на который воздействует подъемная сила.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Если рассматривать гирляндную ГЭС, то у нее имеется ряд очевидных недочетов. Во-первых, длинный трос, используемый в конструкции, представляет опасность для окружающих. Также большую опасность представляют скрытые под водой роторы. Ну а вдобавок, стоит отметить низкие показатели КПД и большую материалоемкость.

Что касается недостатков ротора Дарье, то чтобы устройство начало вырабатывать электроэнергию, его нужно предварительно раскрутить. Правда, при этом отбор мощности производится прямо над водой, так что как бы ни изменился поток воды, генератор будет вырабатывать электричество.

Все вышеперечисленное является факторами, которые делают более популярными гидротурбину для мини-ГЭС и водяные колеса. Если рассматривать ручное сооружение подобных устройств, то они не так уж и сложны. А в добавок, при минимальных затратах такие мини-ГЭС способны выдавать максимальные показатели КПД. Так что критерии популярности очевидны.

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.

Классификация мини-ГЭС

Мини ГЭС можно классифицировать по нескольким параметрам.

По способу передачи энергии они бывают:

• Сетевые. В данном типе электроэнергия сразу генерируется в сеть.
• Накопительные. Электроэнергия собирается в аккумуляторах в течение дня. Затем с помощью инвертора она преобразуется в требуемую мощность.

По типу водных потоков, на которых устанавливаются минигидростанции, можно выделить типы:

• Русловые – устанавливаются в руслах рек с небольшим потоком.
• Стационарные – устанавливаются на водоемах с быстрым потоком. Они вырабатывают больше энергии.
• Установки в точках перепада уровня потока. Используются на естественных и искусственных порогах рек.
• Мобильные установки – сооружаются на малых водоемах, например, ручьях.

По типу функционирования мини ГЭС бывают:

• В виде гирляндной установки;
• По принципу «водяного колеса»;
• С ротором Дарье;
• С пропеллером.

По конструкции гидротурбины мини ГЭС могут быть:

• Осевыми, в которых вода движется вдоль турбинной оси и падает на приходящие в движение лопасти;
• Радиально-осевыми, в которых вода сначала движется радиально по отношению к турбины, а затем вдоль оси;
• Ковшовыми – в них вода поступает на лопасти через сопла, что увеличивает скорость движения. При ударе воды об лопасть турбина вращается, в процесс вовлекается следующая лопасть и так остальные.
• Поворотно-лопастными, лопасти которых поворачиваются одновременно с турбинным вращением.

Комплексная поставка

Концерн «Русэлпром» предлагает комплексные решения «под ключ» по созданию малых ГЭС общей мощностью до 25 МВт на основе собственных производственных мощностей, а также в кооперации с проектными, монтажными и производственными организациями. Мы осуществляем:

• изыскательские работы;
• проектирование;
• поставку гидроэнергетического оборудования;
• строительно-монтажные работы;
• пуско-наладочные работы.

Перечень гидроэнергетического оборудования включает:

• гидротурбины различных типов,
• генераторы,
• ременные передачи и редукторы,
• шкафы управления и контроля,
• шкафы низкого напряжения и синхронизации,
• трансформаторы и трасформаторные подстанции,
• системы управления автономным режимом (опционально).

Управление МГЭС осуществляется без участия обслуживающего персонала.

Предлагаются решения инвестиционного обслуживания проектов, как в части обеспечения поставок оборудования, так и для оплаты всего проекта в целом.

Для российских объектов реализуется необходимый уровень локализации производства с обеспечением европейского качества оборудования для малых ГЭС.

Гидроэлектростанции непромышленного назначения

Гидроэлектростанции могут быть непромышленные частные сооружения. Они могут вырабатывать до 100 кВт. Этого вполне достаточно для обеспечения энергией одного частного дома.

Существуют несколько видов мГЭС по принципу действия гидротурбины.

Гирляндная станция с гидровинтами

Гирляндная ГЭС устанавливается на реках или речных участках, скорость водного потока в которых не менее 2,5 м/с, а глубина – не более 1,5 м. ГЭС состоит из перетянутого через реку гибкого стального троса и закрепленных на нем цепи роторов. Один конец троса закрепляется на опорном подшипнике, а другой крепится к валу генератора, который он активирует. Подшипники обеспечивают свободное вращение и способствуют раскручиванию вала.

Вся конструкция напоминает гирлянду, и каждое звено ее – ротор – способно вырабатывать 2 кВт. Водный напор раскручивает погруженные в воду гидровинты, они, в свою очередь, заставляют вращаться трос. Вращение троса через зубчатую передачу активирует работу генератора.

Гирляндные мини-ГЭС устанавливаются на ограниченный промежуток времени и только в ненаселенных местностях.

Вертикальный ротор Дарье

Ротор Дарье состоит из нескольких аэродинамических лопастей, закрепленных на горизонтальных перекладинах. Тип, используемый для ГЭС похож на ветрогенератор, только установленный под водой.

За счет обтекания водой поверхностей создается разница в давлении на лопасти пропеллера. Такой эффект приводит к вращению ротора.

Для начала работы ротора, всю систему нужно заставить крутиться. Остановить движение сможет только замерзание водоема.

Подводный винтовой пропеллер

Подводный винтовой пропеллер является гидроаналогом воздушного генератора, его лопасти полностью погружены в воду.

Для того чтобы получить максимальную скорость вращения при минимальном сопротивлении, размеры лопастей должны соответствовать силе движения водного потока. Например, при скорости движения воды 2 м/с ширина лопасти должна быть 2-3 см.

Подводный пропеллер устанавливается навстречу потоку. Принцип работы состоит не в давлении воды, а за счет образования подъемной силы, например, как у винта корабля.

Водное колесо с лопастями

Самый простой тип водного генератора. Колесо может устанавливать вертикально в плоскости перпендикулярной поверхности воды или горизонтально, когда колесо погружается в воду на 2/3 толщины диска.

В зависимости от русла водоема и глубины можно установить 3 вида водного колеса:

• Подливные (нижнебойные) – вращается за счет скорости потока. Подходят для быстры, но мелководных рек.
• Среднебойные – устанавливаются так, чтобы поток попадал на середину вращающегося колеса. Подходит для рек с несколькими разными уровнями русла.
• Наливные (верхнебойные) – вращаются за счет напора воды, попадающей на верхние лопасти. Установка должна располагаться под плотинами трубами или естественными порогами так, чтобы вода падали на лопасти сверху.

Колесо соединяется с генератором и приводит его в движение для выработки энергии.

Производители предлагают готовые турбины, лопасти которых приспособлены под определенные мощности водного потока.

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.

Примеры изготовления

Можно привести несколько примеров самодельных мини ГЭС. Начнем с простейшего, который не отнимет у вас много времени, но поможет создать представление, как это работает.

Возьмем обычный велосипед с велогенератором (динамо машиной) и велофарой. Из кровельного железа или из листового алюминия вырежем несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Лопасти устанавливаются между спицами, для крепления их края загибают плоскогубцами вокруг спиц. Так как металл лопастей тонкий, это не сложно сделать.

Если вы используете две лопасти, то установите их напротив друг друга. Если захотите добавить большее количество лопастей, то разделите окружность колеса на число лопастей и установите их через равные промежутки.

Такая мини ГЭС, зто большое подспорье велотуристам, если они остановились на берегу реки с быстрым течением. Вода поможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны. С глубиной погружения колеса можно поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.

Другой пример гидрогенератора – это мини ГЭС для электроснабжения небольшого фермерского хозяйства, мощностью 3-5 кВт. Мощность потока, вращающего колесо, составляет примерно 100 литров в секунду. Для изготовления использовались только подручные материалы, из тех. Что можно найти на свалке.

Ротор-колесо был сделан из металлического барабана от кабеля. Диаметр барабана 2200 мм. Барабан разрезали болгаркой и переварили. Расстояние между щечками составило 300 мм. Под углом 45 градусов к радиусу вварили 18 лопастей. Материал лопастей – это остатки от разрезанного барабана. Барабан вращается на подшипниках, в качестве опоры для конструкции применена рама из труб или уголков.

Самодельные лопасти

На колесе смонтирован цепной редуктор, с коэффициентом передачи равным четырем. Далее вращение передается через карданный вал от «Жигулей» ВАЗ 2101. Кардан позволяет уменьшить вибрацию и снизить требования к соосности привода и генератора. Генератор и прочая электрика и механика, связанная с ним, закрыты водонепроницаемым кожухом (контейнером). Это сделано из соображений безопасности и долговечности.

Внутри кожуха установлен повышающий редуктор с коэффициентом 40 и трехфазный генератор. Скорость вращения генератора примерно 3000 оборотов в минуту. Общий коэффициент редуцирования двух редукторов (цепного и шестеренчатого) 160. Таким образом, водяное колесо вращается со скоростью около 18-20 оборотов в минуту.

В качестве генератора был использован списанный асинхронный двигатель, блок управления взят от старой списанной кормодробилки 1953 года выпуска. От генератора до фермы протянут кабель ВВГ НГ 2х4 квадрата. Кабель закреплен на самодельных столбах.

Материалы и изготовление обошлись в 1500 $. Большая часть денег это оплата рабочим и сварщику. Сумма может быть и меньше, ведь у нас есть много свалок, куда выбрасывают вполне работоспособное оборудование и собственные голова и руки помогут вам экономить деньги.

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.

С ЧЕГО НАЧИНАТЬ СТРОИТЕЛЬСТВО

Возведение мини-ГЭС своими руками стоит начинать с измерения скоростных показателей течения рек. Это делается очень просто: достаточно отметить вверх по течению расстояние в 10 метров, взять в руки секундомер, бросить щепку в воду, и засечь время, за которое она пройдет отмеренную дистанцию.

В конечном итоге, если 10 метров разделить на количество затраченных секунд, получится скорость реки в метрах в секунду. Стоит учитывать, что нет толку сооружать мини-ГЭС в местах, в которых скорость потока не превышает 1 м/с.

Если нужно разобраться, как делают мини-ГЭС в местности, где небольшая скорость реки, то можно попытаться добиться увеличения потока путем организации перепада высот. Сделать это можно через установку сливной трубы в водоем. При этом диаметр трубы будет непосредственно влиять на скорость потока воды. Чем меньше будет диаметр, тем быстрее будет течение.

Подобный подход позволяет организовать мини-ГЭС даже в том случае, если возле дома будет проходить небольшой ручеек. То есть на нем организовывается разборная плотина, ниже которой производится монтаж непосредственно мини-гидроэлектростанции для питания дома и бытовых приборов. опубликовано econet.ru

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление – мы вместе изменяем мир! econet

Присоединяйтесь к нам в Facebook , , Одноклассниках