НЕ МУКУ, А ТОК

Живем в таежной 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?

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 ее 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 закрепленная 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 расчетах, 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 (легкий 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 трех пунктах. По усредненным данным находят поперечное сечение. Зная к тому же и скорость, рассчитывают сам дебит.

Создание нужного перепада уровней воды (транспортного канала) требует определенных гидротехнических работ; достаточно объемных, но совершенно необходимых соответствующих конструкций (см. рис.). Энергетический же потенциал гидропотока вычисляют по формуле:

W_n=mgh

здесь W_n-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 изображен на илл., такая турбина способна отдать в нагрузку (с учетом 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 ее в аккумуляторах, соединенных 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 протяженности линии и сечению электрокабеля.

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 укрепленными на нем 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 рифленой 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, луба или лиственницы, 2150 мм, 4 шт.).

Байдачная свободноногочная мини-ГЭС конструкции инженера Б. Кажинского:

1 дебаркадер деревянный на двух поплавках (катамаранного типа), 2 — колесо водяное, соединенное 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 примененного здесь водяногоколеса приведены в тексте.

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 (Сгаль 20), 5 — болт М10 (4 шт.), 6 —гайка М10 самоконтрящаяся (4 шт.), 7 ремень кордогканый 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 (Сі 3), 13 — шарикоподшипник 180206 (2 шт.), 14 —болг М8(8шт.), 15 — шайба (8 шт.), 16 —гайка М8 (8пгг.), 17 — генератор постоянного тока (800 Вт, 24 В, 700 об/мин.), 18 —шуруп крупногабаритный с шайбой (6 шт.), 19 — шкив генератора (Сталь 20).

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, закрепленными под углом, благоприятствующим максимальному использованию кинетики ниспадающего потока. Следующие друг за другом лопасти не смогут быть заторможены «усталой», отработавшей свое 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. Трехсоткилограммовая 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, закрепленной на рабочем валу с помощью двух болтовых соединений М12. Вал вращается на двух самоустанавливающихся (и обязательно герметичных — для предохранения от воды) шарикоподшипниках.

Все это располагается на двух опорах, которые способны выдерживать нагрузку до тонны. Последние крепятся на четырех, вбитых в грунт на 1,5 метра, сваях 0 200—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 введен 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 микро-ГЭС 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 еще 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». Причем дальнейшее развитие технической мысли в данном направлении стимулировала зародившаяся и все больше утверждавшая свое влияние в народном хозяйстве… электротехника.

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 свое практическое развитие в конструкции «байдачной ГЭС инженера Б. Кажинского». За период с 1926 по 1930 год таких электростанций (см. рис.) было построено 11. Причем 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) передается 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.

А. ЖИТНЕВ, Горный Алтай