Источник: Моделист-конструктор 1996 №1
Живём в таёжной глуши, на голодном (горючее для дизель-генератора на исходе) энергетическом пайке. А рядом беззаботно журчит речка. Природный, так сказать, источник энергии, о чем напоминают полусгнившие остатки водяного колеса старообрядческой мельницы.
Вот бы заставить реку вновь поработать на людей! Только сделать так, чтобы она давала уже не муку, а столь необходимый нам электрический ток. Но где взять описание приемлемой для самостоятельного изготовления небольшой гидроэлектростанции?
А. ЖИТНЕВ, Горный Алтай.
Такое письмо пришло в нашу редакцию.
Ответом на это письмо может служить материал, подготовленный по публикациям румынского журнала «Техниум».
Для разработки и реализации проекта самодельной электростанции конструктору-любителю потребуется предварительно проанализировать особенности объекта, который должен снабжаться электроэнергией (отдельное строение, усадьба, туристическая база, несколько домов и т.п.), а также дебит воды и возможность получения перепада уровня её с помощью гидротехнического оборудования. Если выясняется, что микроГЭС должна работать на постоянную нагрузку, с неизменной (в течение суток) мощностью потребления, расход воды регулируется ограничителем дебита. В простейшем случае это может быть закреплённая между двумя направляющими пластина (доска и т.д.). В зависимости от складывающейся ситуации она легко ставится в положение ниже или выше «нормы». И здесь нет настоятельной необходимости в использовании накопительных аккумуляторов. В случае же существенной разницы в потреблении электроэнергии (особенно когда «ножницы» превышают киловатт-час) крайне желательной становится аккумуляторная батарея.
Дебит воды и высота, с которой поток устремляется к турбине, являются главными факторами мощности, отдаваемой ГЭС в нагрузку. Без них и в наших расчётах, как говорится, не обойтись.
Измерение дебита воды проводится с помощью секундомера и поплавка, на фиксированном участке реки (канала и т.д.). Контрольная длина этого участка — около 10 м. Поплавковая деталь измерения (лёгкий мяч, кусочек пенопласта и т.п.), установленная на стремнине, будет перемещаться без наталкивания на препятствия. А захронометрированная величина, в течение которой поплавок пройдет эти 10 м, позволит легко вычислить скорость самого потока.
Но каково же поперечное сечение русла?
Соответствующие промеры выполняют в трёх пунктах. По усреднённым данным находят поперечное сечение. Зная к тому же и скорость, рассчитывают сам дебит.
Схема расположения и состав микроГЭС:
1 — река с дебитом основного потока (вариант) 1,2 т/с, 2 — ограничитель дебита (подробности см. в тексте), 3 — канал транспортный с дебитом 0,4 т/с, 4 — лоток-направляющая на сваях (из подручных материалов: например, плах соответствующих типоразмеров и пород древесины), 5 — техническое помещение (из бруса и вагонки), 6 — стояк электропередачи (с укреплёнными на нём фарфоровыми изоляторами),
7 — линия электропередачи (двухпроводная воздушная),
8 — гидроэлектроагрегат в работе (а — ниспадающий поток воды, б — турбина в сборе, в — передача клиноременная двухступенчатая, г — узел промежуточного вала, д — электрогенератор, е — плита-основание стальная, ж — сваи лиственничные или дубовые), 9 — сток отработанной воды.
Гидротурбина
1 — кольцо-венец (5-мм листовая сталь, 2 шт.), 2 — лопатка (5-мм, нержавейка, 12 шт.), 3 — барабан (1,5-мм, жесть), 4 — спица (из 500-мм отрезка 26-мм стальной рифлёной арматуры, 8 шт.), 5 — болт М12 (2 шт.), 6 — втулка-ступица (из отрезка трубы 100×20 стальной бесшовной), 7 — вал турбины (Ст 45), 8 — шарикоподшипник в корпусе (от сельхозтехники, самоустанавливающийся, 2 шт.), 9 — плита опорная (из отрезка швеллера № 18, 2 шт.), 10 — болт М20 с гайкой самоконтрящейся (4 шт.), 11 — шуруп крупногабаритный с потайной головкой (16 шт.), 12 — свая (из акации, дуба или лиственницы, 2150 мм, 4 шт.).
Кинематика одного из вариантов самодельной гидростанции с деталировкой основных узлов (рабочее колесо турбины условно не показано):
1 — вал гидротурбины (Сталь 45), 2 — ступица маховика-шкива (Ст 5), 3 — болт М12, 4 — маховик-шкив ведущий первой ступени клиноременной передачи (Сталь 20), 5 — болт М10 (4 шт.), 6 — гайка М10 самоконтрящаяся (4 шт.), 7 — ремень кордотканый клиновой (2 шт.), 8 — шкив промежуточного вала (Сталь 20), 9 — шпонка клиновая, 10 — вал промежуточный (Сталь 45), 11 — плита стальная, 12 — корпус подшипникового узла с крышками (Ст 3), 13 — шарикоподшипник 180206 (2 шт.), 14 — болт М8(8шт.), 15 — шайба (8 шт.), 16 — гайка М8 (8 шт.), 17 — генератор постоянного тока (800 Вт, 24 В, 700об/мин.), 18 — шуруп крупногабаритный с шайбой (6 шт.), 19 — шкив генератора (Сталь 20).
Создание нужного перепада уровней воды (транспортного канала) требует определённых гидротехнических работ; достаточно объёмных, но совершенно необходимых соответствующих конструкций (см. рис.). Энергетический же потенциал гидропотока вычисляют по формуле:
Wn = mgh,
здесь Wn — потенциальная энергия;
m — масса воды, которая обрушивается за одну секунду на турбину (вот где пригодится найденный ранее дебит!);
g — ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с2; h — высота падения воды (до выхода из турбины).
Мощность, которую можно в идеале получить от турбины, предлагаемой для самостоятельного изготовления,- приблизительно 10 кВт. Работая в реальной микроГЭС, вариант которой изображён на рисунке, такая турбина способна отдать в нагрузку (с учётом неизбежных здесь потерь) 800 Вт. Исходя из этого выбран и генератор. У него следующие параметры: 800 Вт, 24 В, 700 об/мин.
Если принять во внимание тот факт, что вечером и ночью электроэнергия идет в основном на освещение (не потребляется только в течение 3-4 часов), а днем используется для электропитания 1-2 холодильников, то есть, видимо, имеет смысл накапливать её в аккумуляторах, соединённых для зарядки и работы в сети с напряжением 24 В. Но требуется, чтобы аккумуляторы находились как можно ближе к распределительному щиту. Ведь потери здесь растут пропорционально протяжённости линии и сечению электрокабеля.
К счастью, они не выходят за «норму» в нашей 150-метровой линии, где используется кабель, суммарное сечение алюминиевых жил которого составляет 25 мм2.
Дабы от энергии воды на микроГЭС не был потерян ни один ватт, прибегают к тому, что турбина снабжается лопастями, закреплёнными под углом, благоприятствующим максимальному использованию кинетики ниспадающего потока. Следующие друг за другом лопасти не смогут быть заторможены «усталой», отработавшей своё водой. И трение здесь сведено к минимуму. Ведь внутренняя поверхность у каждой из сформированных лопастями (лопатками) и барабаном турбины (своеобразных «чаш») заботливо отполирована. Предельно снижены и потери в клиноременной передаче, доводящей число оборотов у генератора до оптимального значения. Все валы — на шарикоподшипниках. Ремни не проскальзывают (их натяжение регулируется по месту крепления опор).
Теперь — о других конкретностях предлагаемой конструкции. Трёхсоткилограммовая турбина (см. рис.) выполнена из двух колец-венцов (листовая сталь), двенадцати лопаток (нержавейка), жестяного барабана, восьми спиц из стальной арматуры (диаметром 26 мм) и втулки-ступицы, закреплённой на рабочем валу с помощью двух болтовых соединений М12. Вал вращается на двух самоустанавливающихся (и обязательно герметичных — для предохранения от воды) шарикоподшипниках.
Всё это располагается на двух опорах, которые способны выдерживать нагрузку до тонны. Последние крепятся на четырёх, вбитых в грунт на 1,5 метра, сваях диаметром 200-250 мм (из акации). На валу турбины размещается маховик (диаметр 700 мм, масса около 80 кг), одновременно являющийся и ведущим шкивом двухступенчатой клиноременной передачи. Скорость его вращения — 80 об/мин (режим холостого хода) и 60 об/мин (под нагрузкой).
Для получения нужных генератору 700 об/мин введён промежуточный вал со шкивами: ведомым (D=150 мм) и ведущим (D=350 мм). С последнего крутящий момент передается уже на вал генератора постоянного тока. Шкив здесь, можно считать, ходовой (Z=130). А потому лучше взять его для нашей микроГЭС готовым. Например, подобрать подходящий со списанной сельхозтехники. Как, впрочем, и всё предыдущее. Но можно также изготовить самостоятельно. По методике, неоднократно и с достаточной полнотой публиковавшейся в журнале, а потому — хорошо знакомой многим нашим самодельщикам.
Остальное в рассматриваемой конструкции, думается, ясно из самих иллюстраций.
Следует также отметить, что данная разработка микроГЭС (на 24 В и 800 Вт) с успехом была реализована на территории лесничества Кошава для обеспечения электроэнергией палаток туристской лесной базы в долине Шаса (600 метров над уровнем моря).
Разумеется, существуют и другие не менее ценные разработки. В том числе — выполненные в России. Но здесь техническую мысль издревле направляли на бесплотинное использование энергии свободно текущей воды.
В частности, в ряде документов, датированных ещё XVI веком, указывается на строительство в казацких поселениях на Дону мельниц, вращаемых силой речного течения. Колесо этих мельниц, погруженное на 1/4 в стремнину, крепилось на валу между двух байдар или байдаков. По названию плавучей основы такие конструкции именуют с тех пор «байдачными». Причём дальнейшее развитие технической мысли в данном направлении стимулировала зародившаяся и всё больше утверждавшая своё влияние в народном хозяйстве электротехника.
Байдачная свободнопоточная мини-ГЭС конструкции инженера Б. Кажинского
1 — дебаркадер деревянный на двух поплавках (катамаранного типа), 2 — колесо водяное, соединённое при помощи клиноременного мультипликатора с электрогенератором, 3 — помещение вспомогательное, 4 — растяжка с условно не показанным якорем (6 шт.), 5 — помещение техническое, 6 — линия электропередачи (воздушная двухпроводная). Особенности применённого здесь водяного колеса приведены в тексте.
К сожалению, первая мировая, а затем гражданская война прервали научные исследования в этой области. И только в 1926 году (с ростом промышленности) идея недорогой, быстро создаваемой бесплотинной электростанции, использующей энергию речного течения для энергоснабжения колхозов, совхозов и крестьянских артелей, получила своё практическое развитие в конструкции «байдачной ГЭС инженера Б. Кажинского». За период с 1926 по 1930 год таких электростанций (см. рис.) было построено 11. Причём по вполне доступному для повторения сегодняшними самодельщиками проекту.
При диаметре водяного колеса 6 метров с 24 лопатками-лопастями (длина и ширина у них соответственно равны 4,5 и 1,0 м) на российских реках (со скоростью течения 1…1,5 м/с) «сердце» такой мини-ГЭС делает 10-12 оборотов в минуту, развивая на валу мощность до 6 кВт. Последняя (благодаря клиноременному мультипликатору) передаётся уже на электрогенератор.
Конструкция, как видим, проста. К тому же прошла испытание временем. И если кто-нибудь из читателей и подписчиков журнала надумает ее воссоздать, в проигрыше не окажется.