Бесплотинные гидроэлектростанции (ГЭС) своими руками
Первоначальная публикация: http://eurosamodelki.ru/katalog-samodelok/alternativnaja-energetika/besplotinnie-gidroelektrostancii-ges-svoimi-rukami
От редакции: такая ГЭС может иметь смысл при наличии реки с быстрым течением и прочным берегом. Такие ГЭС и паводок- отдельная проблема.
Бесплотинные гидроэлектростанции (ГЭС) своими руками
Вариант №1
Самодельная Тросовая Гирляндная мини-ГЭС – отличное решение для получения доступной и недорогой электроэнергеии, если с местом вашего проживания есть небольшая река.
Конструкция гирляндой тросовой мини-ГЭС основано на вращении троса в русле реки.
Первые конструкции автономной простейшей ГЭС давно были воплощены в жизнь отдельными умельцами еще полвека назад. Еще в журнале «Радио» за 50-е годы печатали информацию про гирляндную ГЭС, выполненную а консервных банках и с генератором от авто!
Рис.1. Внешний вид тросовой гирляндой мини-ГЭС сделанной своими руками.
Как сделать тросовую гирляндную ГЭС своими руками?
На рисунке снизу показана схема конструкции простой тросовой гирляндной мини-ГЭС с турбинно-тросовым гидроприводом, который вращается от потока течения реки.
Рис.2 Схема и принцип работы Гирляндной мини-ГЭС
1. Подшипник, 2. Опора, 3. Металлический трос, 4. Гидроколесо (турбина),
В качестве гидроколёс (роторов),в тросовом гидроприводе мини-ГЭС 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.
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 метра/сек!
Если опоры 2 с подшипниками 1 и электрогенератором 5 установить на дно реки, и подшипники с генератором поднять выше уровня реки, а всё 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 метра. Тепловую энергию в такой ГЭС можно получить путем подключения электронагревателей к электрогенератору.
Роторы гирляндой 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 гирляндой ГЭС не превышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м. вполне возможно использовать роторы, расположенные в два ряда.
Появление дач и даже фермерских хозяйств на бросовых, удалённых от электросети землях, галопирующий рост цен на топливо и электричество вызвали к жизни старые идеи автономного электроснабжения с широким использованием природной энергии солнца, ветра и воды. В том числе возрос интерес к мини- и микро-ГЭС.
Две из таких, приемлемых для постройки своими силами гидроэлектростанции: Микро-ГЭС своими руками и плавучая бесплотинная мини-ГЭС. На очереди — конструкции, прообразом которых послужила свободнопоточная (образца 1964 года) гирляндная ГЭС В. Блинова.
Дудышев В.Д.
Вариант №2
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),
где:
— 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. 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 мини-ГЭС) скоростью течения реки.
Рис.1 Роторы Савониуса для самодельных гирляндных мини-ГЭС:
а, б — лопасти; 1 — поперечный, 2 — торцевой.
Далее необходимо определить размер активном части гидромашины и её тип. Так как вся мини-ГЭС 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 мини-ГЭС (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 мини-ГЭС.
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 микро-ГЭС 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 мини-ГЭС 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 мини-ГЭС — 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 150×100, 2 шт.), 2 — поперечина нижняя (доска 150×45, 2 шт.), 3 — поперечина средняя (брус 150х120, 2 шт.), 4 — стояк (кругляк диаметром 100, 4 шт.), 5 лонжерон верхний (доска 150×45, 2 шт.), 6 — поперечина верхняя (доска 100×40, 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 200×40), 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 мини-ГЭС 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 сельхозудобрения, 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 мини-ГЭС 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 50×8, 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 микро-ГЭС 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 мини-ГЭС 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 мини-ГЭС 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 микро-ГЭС 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
Вариант № 3
Самодельная Гидроэлектростанция (ГЭС) маленькой речке без плотины.
Известно, что электричество вырабатывает генератор, вал которого вращает двигатель. Двигатель ГЭС устроен просто: на раме из бревен укреплены стойки с двумя коленчатыми валами А и Б (см. рис. 3).
Каждый вал имеет три колена, углы между которыми равны 120°. Коленчатые валы соединены штангами, к которым прикреплены лопатки. На рисунке 1 вы видите, что в данный момент все лопатки штанги В находятся внизу, они погружены в воду и под ее напором перемещаются назад (вправо). Лопатки двигают штангу, а штанга, в свою очередь, поворачивает коленчатые валы. Как только колена, соединенные этой штангой, начнут подниматься вверх, в воду погружаются лопатки штанги Г. Теперь уже они вступают в работу. Затем начнут работать лопатки штанги Д. К этому времени лопатки первой штанги В пройдут над поверхностью водьі и снова опустятся в воду. Вот так и будет работать двигатель электростанции Логина.
Если насадить на конец одного из коленчатых валов шкив и соединить его ременной передачей со шкивом генераторе постоянного тока, генератор начнет вырабатывать электричество. А если к ведущему шкиву приделать шатун и соединить его с насосом, двигатель будет качать воду на пришкольный участок, на ваш огород.
Мощность двигателя зависит не только от скорости течения воды, но и от числа и площади лопаток, то есть от геометрических размеров самого двигателя. А его можно сделать любых размеров, соответственно пропорционально увеличивая или уменьшая размеры его деталей.
Рис. 1 Основные размеры частей мини гэс без плотины.
Мы даем чертежи двигателя, который при скорости течения воды в 0,8—1 метр в секунду будет вращать генератор от легкового автомобиля. Напряжение, вырабатываемое генератором, 12 В, а мощность — до 150 Вт.
Рис.2 Основные узлы самодельной ГЭС без плотины.
Прежде чем приступать к постройке гидростанции, в мастерской или в магазине, где продаются запчасти для автомобилей, подберите генератор. Заготовьте материалы: доски, бревна небольшого диаметра, стальную проволоку, крепеж. Подберите место, где будет находиться электростанция. Желательно, чтобы это был прямой участок реки. Здесь надо определить скорость течения. Делается это так. На выбранном участке длиной 15—20 метров наметьте два поперечных створа. После этого при помощи небольшого поплавка, например щепки, определите скорость течения воды. Поплавок следует бросать в воду немного выше верхнего створа и, следя за ним, по секундомеру отсчитать время прохождения поплавка от верхнего створа до нижнего. Надо сделать 10—15 таких замеров, бросая поплавок то дальше, то ближе к берегу, и по результатам замеров подсчитайте среднюю скорость течения реки. Если она лежит а пределах 0,8—1 м/с, смело приступайте к строительству.
Рис.3. Коленчатые валы мини ГЭС без плотины.
Как сделать наиболее сложные детали мини ГЭС без плотины. Коленчатый вал мини Гэс без плотины.
Его можно изготовить из цельного стального прута диаметром 16—20 мм. Но легче сделать его сборным (рис. 3). Сначала нарежьте из прута заготовки деталей 1, 2, 3 и 4. Щечки колен сделайте из стальной полосы толщиной 5 мм. На концах стержней запилите квадраты, а в щечках — квадратные отверстия. После соединения деталей квадраты расклепываются. Сначала следует собрать части коленчатого вала «а» и «б» (см. рис. 3). Затем надо разметить и выпилить квадраты на свободных концах стержней 2 и 3 так, чтобы среднее колено (после сборки) было расположено под углом 120° по отношению к крайним.
Штанги с лопатками мини-ГЭС без плотины.
Штанги рекомендуем сделать из деревянных реек, лопатки — из теса или кровельного железа. Лопатки прикрепляются к штангам с помощью вертикальных планок и проволочных растяжек (см. рис. 2).
Устройство передачи мини-ГЭС без плотины.
Коленчатый вал, а следовательно, и ведущий шкив будут вращаться со скоростью примерно один оборот в две секунды. Генератор же может вырабатывать электрический ток при 1000—1500 оборотах в минуту. Чтобы получить такое число оборотов на генераторе, нужна передача из шкивов разного диаметра (см. рис.).
Желобчатые шкивы изготовляются из фанеры толщиной 5 мм. Для каждого шкива следует выпилить по пять кругов. Они сбиваются гвоздями или стягиваются шурупами. Ведущий шкив, который прочно укрепляется на конце коленчатого вала, должен иметь диаметр не менее 700 мм. Два промежуточных прибиваются друг к другу и свободно надеваются на ось. Они должны легко вращаться на этой оси. Если скорость вращения ведущего шкива будет 30 оборотов в минуту, то диаметр малого промежуточного шкива можно принять равным 140 мм, а большого — 600 мм. Тогда шкив генератора (диаметром 60 мм) будет вращаться со скоростью 1500 оборотов в минуту. При других числах оборотов ведущего шкива диаметры промежуточных шкивов будут другие. Подсчитать их размеры вам поможет учитель труда.
Приводные ремни мини-ГЭС без плотины.
Шкивы передачи соединяются приводными ремнями. Чтобы ремни всегда были хорошо натянуты, сделайте их из резинового жгута. Старую автомобильную камеру разрежьте на длинные ленты. Каждую ленту скрутите в жгут, а концы склейте резиновым клеем и туго перевяжите шпагатом.
Регулировка мини-ГЭС без плотины.
После сборки механизма проверьте, свободно ли вращаются штанги. Поворачивая ведущий шкив рукой, заметьте, какая из штанг препятствует вращению коленчатых валов. После этого снимите штангу и увеличьте одно из отверстий для шейки колена так, чтобы оно стало немного продолговатым.
В. Кивоносов, В. Слащилина
Вариант №4
Если подсчитать всю энергию, которую могут дать 25 тысяч больших и малых рек, протекающих по нашей стране, получится сказочная цифра. Однако энергия далеко не всех рек еще используется нами.
На большинстве рек можно построить небольшие недорогие безплотинные гидроэлектростанции (ГЭС). Мощность таких электростанций невелика, но достаточна для электрификации дома и даже небольшого поселка.
На реках со скоростью течения 0,8 метра в секунду и больше можно установить бесплотинный гидродвигатель нового типа. Принцип действия этого двигателя ясен из приложенных рисунков и схем.
Под напором воды лопатки перемещают штанги, движение которых приводит во вращение кривошип. На его валу сидит шкив.
Вращение шкива и передается генератору. Мощность двигателя зависит от скорости течения воды.