ГЭС ВОЗЛЕ ДОМА

Стоит в лесу, спрятавшись от «суеты городов», дом. Или небольшая турбаза, лесной кордон и т.п. А рядом беззаботно журчит речка. Природный, так сказать, источник энергии, о чем напоминают полусгнившие остатки колеса водяной мельницы. Вот бы заставить реку вновь поработать на людей! Только сделать так, чтобы она давала уже не муку, а столь необходимый нам электрический ток. Мечты, скажете? Вовсе нет!

Для разработки и реализации проекта самодельной гидроэлектростанции конструктору-любителю потребуется предварительно проанализировать особенности объекта, который должен снабжаться электроэнергией (дача, сельская 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 микро-ГЭС 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 ситуации она 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 — это главные факторы мощности, отдаваемой ГЭС в нагрузку. Без них и в наших расчетах не обойтись.

Измерение дебита воды проводится с помощью секундомера и поплавка, на фиксированном участке реки, ручья или канала. Контрольная длина этого участка -около 10 м. Поплавковая деталь измерения (пластиковый мяч или кусок пенопласта), установленная на стремнине, должна перемещаться без наталкивания на препятствия. А захронометрированная величина, в течение которой поплавок пройдет эти 10 м, позволит вычислить скорость самого потока.

Теперь, зная скорость потока и выполнив промеры русла, определив поперечное сечение, можно рассчитать дебит.

Создание нужного перепада уровней воды (транспортного канала) потребует гидротехнических работ -возможно, достаточно объемных, но совершенно необходимых соответствующих конструкций. Энергетический же потенциал гидропотока вычисляется по формуле:

Wn = mgh,

где Wn — потенциальная энергия; m — масса воды, которая обрушивается за одну секунду на турбину (для этого и нужен определенный 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 микро-ГЭС с учетом неизбежных потерь, такая турбина способна отдать в нагрузку где-то 800 Вт. Исходя из этого выбран и генератор (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 одного-двух холодильников, то имеет смысл накапливать ее в аккумуляторах, соединенных для зарядки и работы в сети с напряжением 24 В. При этом требуется, чтобы аккумуляторы находились как можно ближе к распределительному щиту. Ведь потери здесь растут пропорционально протяженности 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 микро-ГЭС не был потерян ни один ватт, 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. Для этого внутренняя поверхность у каждой из сформированных лопастями (лопатками) и барабаном турбины (своеобразных «чаш») тщательно полируется. Необходимо максимально снизить и потери в клиноременной передаче, доводящей число оборотов у генератора до оптимального значения. Все валы — на шарикоподшипниках, ремни натянуты без проскальзывания (их натяжение регулируется по месту крепления опор).

Теперь — о некоторых конкретностях предлагаемой конструкции. Турбина (ее вес около 300 кг) выполнена из двух колец-венцов (листовая сталь), двенадцати лопаток (из «нержавейки»), жестяного барабана, восьми спиц из стальной арматуры Ø26 мм и втулки-ступицы, закрепленной на рабочем валу с помощью двух болтовых соединений М12. Вал вращается на двух само-устанавливающихся (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 Ø200-250 мм. На валу турбины размещается маховик (диаметр 700 мм, масса около 80 кг), одновременно служащий и ведущим шкивом двухступенчатой клиноременной передачи. Скорость его вращения — 80 об/мин в режиме холостого хода и 60 об/мин под нагрузкой.

Для получения нужных генератору 700 об/мин введен промежуточный вал со шкивами: ведомым (Ø150 мм) и ведущим (Ø350 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. Подобрать, например, подходящий от списанной сельхозтехники. Как, впрочем, и все предыдущее. Но можно их также изготовить и самостоятельно.

Следует отметить, что данный проект микроГЭС (на 24 В и 800 Вт) был с успехом реализован на территории одного из лесничеств для обеспечения электроэнергией палаток туристской базы.

Разумеется, существуют и другие варианты получения энергии «из воды». Их использовали еще наши предки. Например, бесплотинный метод. В ряде документов, датированных еще XVI веком, указывается на строительство в казацких поселениях на Дону мельниц, вращаемых силой речного течения. Колесо этих конструкций, погруженное на 1/4 в стремнину, крепилось на валу между двух байдар или байдаков. По названию плавучей основы такие сооружения 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 было построено более десятка. 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 ГЭС делает 10-12 оборотов в минуту, развивая на валу мощность до 6 кВт. Через клиноременный мультипликатор она передается на электрогенератор. Конструкция, как видим, довольно проста, к тому же прошла испытание временем. Если кто-нибудь из читателей журнала надумает ее воссоздать — в проигрыше не окажется.

Игорь СЛАВСКИЙ, инженер