Міні-гідроелектростанції для приватного будинку, дачі. Гідроелектростанція своїми руками на присадибній ділянці

Незалежне джерело електроенергії у заміському особняку – перша потреба. Ринок електротоварів пропонує різноманітні асортименти генераторів електричного струму різних конструкцій: газові, інверторні, бензинові, дизельні. Серед них водяні електрогенератори займають особливе місце, завдяки своїм перевагам та економії у витрачанні палива. Вироблення електрики з природних джерел - найбільш екологічний та маловитратний спосіб виробництва енергетичного ресурсу.

Область застосування та особливості пристрою

Різна сфера застосування

Дані гідравлічні пристрої можуть застосовуватися для різних побутових та господарських потреб:

у сільському господарстві;
Містечках геологів;
У річковому транспорті;
на базах відпочинку;
У гірничодобувній промисловості;
На дачних та заміських ділянках.

Для перетворення різного роду енергії на електричну. Пристрій приладу простий: двигун, сам генератор і корпус.

Дивимося відео, область застосування генераторних установок та їх види:

Залежно від типу силової установки генератори поділяються на:

Також генератори бувають водяні та на сонячних батареях. Водяний електрогенератор відрізняється від дизельного або бензинового більшою економічністю в експлуатації та абсолютною екологічністю. Якщо поруч із заміським будинком протікає річка або струмок, витратна сума обслуговування станції дорівнює нулю.

Принцип роботи

Виробництво енергії за допомогою обертання конструктивного елемента застосовувалося з давніх-давен, досить згадати водяні млини. Водяний генератор для електричної енергії мало відрізняється від старовинних пристосувань.

Дивимося відео, найпростіший механізм роботи:

Вам потрібно підключити шланг пристрою до джерела води (струм, водопровідний кран, бак кабінки для душу), а обертання лопатей колеса під напором води передаватиме енергію на сам генератор. У свою чергу, генератор перероблятиме отриману енергію в струм відповідної частоти (змінний або незмінний).

Види гідрогенераторів

Промислові вироби розрізняються за параметрами потужності, що виробляється. Для побутових потреб використовують малопотужні гідросистеми (10-100 кВт) з вертикальним положенням осі обертання ротора, що працюють на основі невеликих водотоків. Для потреб промисловості апарати конструюють із горизонтальним обертальним рухом осі.

Водяне колесо

У побутових цілях використовують безтілесний вид міні-ГЕС, який поділяють на 4 види:

Водяне колесо;
Гірлянда ГЕС;
Ротор Дар'ї;
Пропелер.

Водяне колесо являє собою елемент, що обертається з лопатями, який встановлюють перпендикулярно руху води, занурюючи наполовину або трохи менше. За допомогою водного тиску на лопаті створюється обертання колеса та перетворення енергії.

Конструкція гірлянди для водяного генератора являє собою трос із зафіксованими роторами, перекинутий з одного на інший берег річки. Один кінець троса прикріплений до генератора, а другий – закріплений підшипником. Занурені у воду ротори починають обертатися під тиском потоку, викликаючи обертання троса. Через війну генерується електроенергія.

Ротор Дар'ї

Ротор Дар'є являє собою вертикальний елемент, що обертається, який наводиться в рух за рахунок зміни тисків на лопатях складної конструкції. Саме обтікання потоком складної поверхні створює перепад тисків.

Водяний генератор-пропелер нагадує собою вітряк, оснащений ротором, але встановлений під водою. Ширина лопатей (2 см) має необхідні розміри для створення максимальної швидкості обертання за мінімального навантаження опору. Однак розміри лопатей потрібно підбирати відповідно до течії водного потоку, їх показники можуть відрізнятися.

У побуті набули поширення гідроустановки пропелерного типу та колеса. Перевага даних приладів – високий ККД при мінімумі витрат.

Огляд продукції

Виробники випускають міні гідростанції побутового використання для генерування струму постійної та змінної частоти у трифазному та однофазному виконанні. Для вироблення електрики необхідний невеликий тиск води - до 12 л/сек. Як правило, дані гідроустановки застосовуються в місцях з протіканням невеликих річок або в місцевості з природним/штучним водоспадом, а також із побудованою греблею.

Міні генератор Ct-02 (Китай)

Потужність – 5 кВт;
струм, що виробляється - 50 Гц;
Швидкість обертання – 30-3000 об/хв;
Струм - змінний.

Продукцію можна придбати на замовлення, позначивши необхідні параметри. Початкова вартість - 30 000 рублів.

Міні генератор для будинку xj13 (Китай)

Потужність – 8,5 кВт;
струм, що виробляється - 50 Гц;
Швидкість обертання – 145-1920 об/хв;
Струм - змінний.

Дана модель горизонтальної установки має свої переваги, малу вагу та невеликі обсяги. Апарат можна легко встановити у присадибній ділянці. Ціна – від 16 000 рублів.

Гідрогенератор LPWG

Гідрогенератор LPWG

Потужність – 5 кВт;
струм, що виробляється - 50 Гц;
Швидкість обертання – 500 об/хв;
Струм - змінний.

Ця гідросистема з горизонтальною подачею води забезпечить струмом присадибне господарство або заміський будинок. Купівля водяного генератора електричного струму коштуватиме 49 596 рублів.

Як зробити гідроелектростанцію самостійно

Створення водяного електрогенератора своїми руками – процес цікавий. Можна сконструювати з урахуванням звичайного велосипедного генератора. По-перше, слід визначити швидкість течії водного потоку за допомогою секундоміра. Якщо швидкість буде недостатньою, доведеться створити перепад висот, наприклад, встановивши зливну трубу.

Дивимося відео, робимо поетапно своїми руками:

Вам потрібно вирізати з алюмінієвого листа кілька лопатей шириною 2-4 см. Довжина лопатей має збігатися з діаметром велосипедного колеса (від обода до втулки). Потім лопаті встановлюються між спицями та фіксуються за допомогою плоскогубців. Колесо занурюється у воду на третину. Дуже непоганий варіант вироблення електроенергії в поході для освітлення намету та заряджання телефонів.

Вибираємо електрогенератор

Потужність

Для постійного забезпечення енергією приватного заміського будинку вистачить потужності 20-30 кВт.
Щоб точно визначити необхідну потужність, потрібно скласти показники споживаної потужності всіх побутових приладів та додати лампи освітлення.
Слід враховувати, що до загальної суми потужності потрібно додати ще 20 відсотків зверху з урахуванням пускових струмів.
Якщо ви працюєте з електроприладами будівельного призначення, величина необхідної потужності повинна бути втричі більшою (до 100 кВт).

Ціни та виробники

Ринок товарів забезпечується різними постачальниками та компаніями-виробниками. Ціновий фактор формується залежно від розкрученості бренду. Останнім часом добре зарекомендували себе китайські виробники. Сприятливе поєднання якості та ціни заслуговує на увагу.

Якщо у Вашого житла протікає річка або навіть невеликий струмок, за допомогою саморобної міні ГЕС Ви можете отримати безкоштовну електроенергію. Можливо це буде не дуже велике поповнення бюджету, але усвідомлення того, що у Вас є своя власна електроенергія, коштує набагато дорожче. Ну а якщо, наприклад, на дачі, немає центрального електропостачання — то навіть невеликі потужності електроенергії будуть просто необхідні. І так, для створення саморобної гідроелектростанції потрібні як мінімум дві умови — наявність водяного ресурсу та бажання.

Якщо те й інше присутній, те перше, що треба зробити – це виміряти швидкість потоку річки. Зробити це дуже просто - кидаєте в річку гілочку і заміряйте час, протягом якого вона пропливе 10 метрів. Поділивши метри на секунди, ви отримаєте швидкість течії м/с. Якщо швидкість менша за 1 м/с, то продуктивної міні ГЕС не вийде. У цьому випадку можна спробувати збільшити швидкість потоку штучно завузівши русло або зробивши невелику греблю, якщо маєте справу з невеликим струмком.

Для орієнтиру, можна використовувати співвідношення між швидкістю потоку в м/с і потужністю електроенергії, що знімається з валу гвинта в кВт (діаметр гвинта 1 метр). Дані експериментальні, насправді отримана потужність залежить від багатьох факторів, але для оцінки підійде. Так:

0.5 м/с – 0.03 кВт,
0.7 м/с – 0.07 кВт,
1 м/с – 0.14 кВт,
1.5 м/с – 0.31 кВт,
2 м/с - 0.55 кВт,
2.5 м/с - 0.86 кВт,
3 м/с -1.24 кВт,
4 м/с – 2.2 кВт тощо.

Потужність саморобної міні ГЕС пропорційна кубу швидкості потоку. Як уже вказувалося, якщо швидкість течії недостатня, спробуйте її штучно збільшити, якщо це, звичайно, можливо.

Типи міні-ГЕС

Існує кілька основних варіантів саморобних міні гідроелектростанцій.

Це колесо з лопатями, встановлене перпендикулярно поверхні води. Колесо занурене в потік менше ніж наполовину. Вода тисне на лопаті та обертає колесо. Існують також колеса-турбіни зі спеціальними лопатками, оптимізованими під струмінь рідини. Але це досить складні конструкції швидше за заводське, ніж саморобне виготовлення.

Це ротор з вертикальною віссю обертання, що використовується для створення електричної енергії. Вертикальний ротор, що обертається за рахунок різниці тиску на його лопатях. Різниця тиску створюється за рахунок обтікання рідиною складних поверхонь. Ефект подібний до підйомної сили суден на підводних крилах або підйомній силі крила літака. Ця конструкція була запатентована Жорж Жан-Марі Дар'є, французьким авіаційним інженером у 1931 році. Також часто використовується у конструкціях вітрогенераторів.

Гірлянднагідроелектростанція складається з легких турбін - гідровінгроторів, нанизаних і жорстко закріпленими у вигляді гірлянди на тросі, перекинутому через річку. Один кінець троса закріплюється в опорному підшипнику, другий обертає ротор генератора. Трос у разі грає роль своєрідного валу, обертальний рух якого передається до генератору. Потік води обертає ротори, ротори крутять трос.

Також запозичений з конструкцій вітрових електростанцій, такий собі «підводний вітряк» із вертикальним ротором. На відміну від повітряного, підводний пропелер має лопаті мінімальної ширини. Для води достатньо ширини лопаті всього 2 см. При такій ширині буде мінімальний опір і максимальна швидкість обертання. Така ширина лопат вибиралася для швидкості потоку 0.8-2 метри в секунду. За більших швидкостей, можливо, оптимальні інші розміри. Пропелер рухається не за рахунок тиску води, а за рахунок підйомної сили. Як крило літака. Лопаті пропелера рухаються поперек потоку, а не захоплюються потоком у напрямі течії.

Переваги та недоліки різних систем саморобної міні ГЕС

Недоліки гірляндної ГЕС очевидні: велика матеріаломісткість, небезпека для оточуючих (довгий підводний трос, приховані у воді ротори, перегородження річки), низький ККД. Гірляндна ГЕС – це свого роду невелика гребля. Доцільно використовувати у безлюдних, віддалених місцях із відповідними попереджувальними знаками. Можливо буде потрібно дозвіл влади та екологів. Другий варіант - невеликий струмок у Вас на городі.

Ротор Дар'ї - складний у розрахунку та виготовленні. На початку роботи його треба розкрутити. Але він привабливий тим, що вісь ротора розташована вертикально і відбір потужності можна проводити над водою без додаткових передач. Такий ротор обертатиметься за будь-якої зміни напряму потоку — це плюс.

Найбільшого поширення при побудові саморобних гідроелектростанцій набули схеми пропелера та водяного колеса. Так як ці варіанти порівняно прості у виготовленні, вимагають мінімальних розрахунків і реалізуються за мінімальних витрат, мають високий ККД, прості в налаштуванні та експлуатації.

Приклад найпростішої міні-ГЕС

Якщо ви використовуєте дві лопаті, то встановіть їх навпроти один одного. Якщо захочете додати більше лопатей, то розділіть коло колеса на число лопатей і встановіть їх через рівні проміжки. З глибиною занурення колеса з лопатями у воду можете експериментувати. Зазвичай його занурюють від однієї третини до половини.

Варіант похідної вітроелектростанції розглядався раніше.

Така мікро ГЕС не займає багато місця і чудово послужить велотуристам - головне наявність струмка або річечки - що зазвичай є в місці розбивки табору. Міні ГЕС з велосипеда зможе висвітлювати намет та заряджати стільникові телефони чи інші гаджети.

Якщо у Вашого житла протікає річка або навіть невеликий струмок, за допомогою саморобної міні ГЕС Ви можете отримати безкоштовну електроенергію. Можливо, це буде не дуже велике поповнення бюджету, але усвідомлення того, що у Вас є своя власна електроенергія - коштує набагато дорожче. Ну а якщо, наприклад, на дачі, немає центрального електропостачання - то навіть невеликі потужності електроенергії будуть просто необхідні. І так, для створення саморобної гідроелектростанції необхідно як мінімум дві умови – наявність водяного ресурсу та бажання.

0.5 м/с – 0.03 кВт,
0.7 м/с – 0.07 кВт,
1 м/с – 0.14 кВт,
1.5 м/с – 0.31 кВт,
2 м/с - 0.55 кВт,
2.5 м/с - 0.86 кВт,
3 м/с -1.24 кВт,
4 м/с – 2.2 кВт тощо.

Потужність саморобної міні ГЕСпропорційна кубу швидкості потоку. Як уже вказувалося, якщо швидкість течії недостатня, спробуйте її штучно збільшити, якщо це, звичайно, можливо.

Типи міні-ГЕС

Існує кілька основних варіантів саморобних міні гідроелектростанцій.

Водяне колесо

Це колесо з лопатями, встановлене перпендикулярно поверхні води. Колесо занурене в потік менше ніж наполовину. Вода тисне на лопаті та обертає колесо. Існують також колеса-турбіни зі спеціальними лопатками, оптимізованими під струмінь рідини. Але це досить складні конструкції швидше за заводське, ніж саморобне виготовлення.

Ротор Дар'ї

Гірляндна ГЕС

Гідроелектростанція складається з легких турбін – гідровінгроторів, нанизаних та жорстко закріпленими у вигляді гірлянди на тросі, перекинутому через річку. Один кінець троса закріплюється в опорному підшипнику, другий обертає ротор генератора. Трос у разі грає роль своєрідного валу, обертальний рух якого передається до генератору. Потік води обертає ротори, ротори крутять трос.

Пропелер

Також запозичений з конструкцій вітрових електростанцій, такий собі "підводний вітряк" із вертикальним ротором. На відміну від повітряного, підводний пропелер має лопаті мінімальної ширини. Для води достатньо ширини лопаті всього 2 см. При такій ширині буде мінімальний опір і максимальна швидкість обертання. Така ширина лопат вибиралася для швидкості потоку 0.8-2 метри в секунду. За більших швидкостей, можливо, оптимальні інші розміри. Пропелер рухається не за рахунок тиску води, а за рахунок підйомної сили. Як крило літака. Лопаті пропелера рухаються поперек потоку, а не захоплюються потоком у напрямі течії.

Переваги та недоліки різних систем саморобної міні ГЕС

Недоліки гірляндної ГЕСочевидні: велика матеріаломісткість, небезпека оточуючих (довгий підводний трос, приховані у воді ротори, перегородження річки), низький ККД. Гірляндна ГЕС – це свого роду невелика гребля. Доцільно використовувати у безлюдних, віддалених місцях із відповідними попереджувальними знаками. Можливо буде потрібно дозвіл влади та екологів. Другий варіант – невеликий струмок у Вас на городі.
Ротор Дар'ї- складений у розрахунку та виготовленні. На початку роботи його треба розкрутити. Але він привабливий тим, що вісь ротора розташована вертикально і відбір потужності можна проводити над водою без додаткових передач. Такий ротор обертатиметься за будь-якої зміни напряму потоку - це плюс.

Найбільшого поширення при побудові саморобних гідроелектростанційотримали схеми пропелера та водяного колеса. Так як ці варіанти порівняно прості у виготовленні, вимагають мінімальних розрахунків і реалізуються за мінімальних витрат, мають високий ККД, прості в налаштуванні та експлуатації.

Якщо у Вас немає водяного енергоресурсу, можете самостійно зробити домашню вітроелектростанцію.

П ример найпростішої міні-ГЕС

Найпростішу гідроелектростанцію можна швидко збудувати зі звичайного велосипеда з динамікою для велофари. З оцинкованого заліза або товстого листового алюмінію треба заготовити кілька лопатей (2-3). Лопаті повинні бути довжиною від обода колеса до втулки, а шириною 2-4 см. Ці лопаті встановлюються між спицями будь-яким підручним способом або заздалегідь заготовленими кріпленнями.
Якщо ви використовуєте дві лопаті, то встановіть їх навпроти один одного. Якщо захочете додати більше лопатей, то розділіть коло колеса на число лопатей і встановіть їх через рівні проміжки. З глибиною занурення колеса з лопатями у воду можете експериментувати. Зазвичай його занурюють від однієї третини до половини.
Варіант похідної вітроелектростанції розглядався раніше.

Така мікро ГЕС не займає багато місця і чудово послужить велотуристам - головна наявність струмка або річечки - що зазвичай є в місці розбивки табору. Міні ГЕС з велосипеда зможе висвітлювати намет та заряджати стільникові телефони чи інші гаджети.

Мене завжди приваблювало отримання безкоштовної енергії із природних ресурсів. І якось у мене зародилася ідея зробити просту міні електростанцію, яка б виробляла електрику з водяного струмка, що проходить повз.

Все почалося з ідеї використовувати барабан старої пральної машини як водяне колесо – мініатюрну саморобну гідроелектростанцію.

До барабана за допомогою металевих куточків було прикріплено прямі лопаті з вологостійкої фанери.

Крутний момент із водяного колеса передається за рахунок ременя на велосипедну динамо-машину (генератор постійного струму). Вироблена електроенергія надходить на світлодіод. Достатньо рукою злегка прокрутити колесо, і світлодіод почне блимати.

Основа усієї конструкції – велосипедна рама.

Два підшипники дозволяють водяному колесу вільно крутиться.

Перші випробування на маленькій річці показали, що водяне колесо на рамі встановлено занадто високо, що не дає потоку води нормально розкручувати.
Після невеликих змін у конструкції рами колесо почало розташовуватися нижче і швидкість обертання різко зросла. Як результат, почала обертатися динамо-машина та світлодіод на 4,5 В спалахнув.

Ось так зі старого мотлоху вийшла саморобна гідроелектростанція.
Далі міні ГЕС у зборі було встановлено на невеликий струмок.

Виробляє вона лише кілька вольт, але їх достатньо для світіння світлодіода.

Це був непоганий експеримент для початку.

Подальше удосконалення у проекті

Подальше удосконалення водяного колеса повинні торкнутися:

Побудувати міні-дамбу для збільшення тиску води. При цьому повністю річку не планується перегороджувати, щоб риба могла йти у другому потоці.
Під дамбою встановити трубу, якою вода надходитиме на саморобну турбіну. У трубі влаштувати кожух із транспортерної гумової стрічки. Перекривши потік води через трубу, можна провести обслуговування механізмів.
За розрахунками, турбіна видаватиме потужність приблизно вдвічі більше, ніж водяне колесо. Крім того, заміна водяного колеса на турбіну має зняти проблему замерзання у зимовий час.
Потік води розкручуватиме турбіну, передаючи момент, що крутить, генератору. Триматися турбіна буде на двох підшипниках, виготовлених із масиву дерева. При регулярному змащуванні вони прослужать довго. Упорна шайба утримуватиме механізм від бічного зміщення.
Виготовити металеві лопатки, розрахувавши кут, під яким їх потрібно загнути (від цього параметра залежить потужність гідроелектростанції). Лопатки прикрутити потрібно буде з використанням гумових прокладок, щоб уникнути їхнього відриву.
Для передачі моменту, що крутить, використовувати зібраний з труб вал.
Встановити генератор. На генератор поставити шків меншого розміру, ніж встановлений на валу. Це дозволить підвищити обороти, що необхідне ефективної роботи генератора.

Генератор повинен видавати близько 600 Вт електроенергії. Це дозволить підключати побутову техніку. Якщо наступний етап експерименту завершиться вдало, можна буде подумати про подальшу модернізацію для того, щоб виробляти кілька кіловат електроенергії.

Варіант №1

Саморобна тросова гірляндна міні-ГЕС - відмінне рішення для отримання доступної та недорогої електроенергії, якщо з місцем вашого проживання є невелика річка.

Конструкція гірляндою тросової міні-ГЕС заснована на обертанні троса у руслі річки.

Перші конструкції автономної найпростішої ГЕС давно були втілені окремими умільцями ще півстоліття тому. Ще в журналі «Радіо» за 50-ті роки друкували інформацію про гірляндну ГЕС, виконану в консервних банках та з генератором від авто!

Рис.1. Зовнішній вигляд тросовою гірляндою міні-ГЕС, зробленою своїми руками.

Як зробити тросову гірляндну ГЕС своїми руками?

На малюнку знизу показано схему конструкції простої тросової гірляндної міні-ГЕС з турбінно-тросовим гідроприводом, який обертається від потоку течії річки.

Рис.2 Схема та принцип роботи Гірляндної міні-ГЕС

1. Підшипник, 2. Опора, 3. Металевий трос, 4. Гідроколесо (турбіна),

5. Електрогенератор, 6. Рівень верхньої течії річки, 7. Русло річки.

Як гідроколіс (роторів), в тросовому гідроприводі міні-ГЕС можна використовувати кілька крильчаток, виготовлених з тонкого металевого листа, діаметром близько півметра, на кшталт дитячої іграшки - пропелера з квадратного листа паперу. Як гнучкий вал доцільно використовувати звичайний сталевий трос діаметром 10...15 мм.
Орієнтовні розрахунки показують, що від такої тросової ГЕС можна отримати з одного гідроколеса до 1,5…2,0 кВт, при річці близько 2,5 метра/сек!

Якщо опори 2 з підшипниками 1 і електрогенератором 5 встановити на дно річки, і підшипники з генератором підняти вище рівня річки, а вся ця споруда розмістити по осі течії, то результат практично буде той же. Ця схема доцільно застосовується для дуже «вузьких річок», але з глибиною більше 0,5 метра. Теплову енергію у такій ГЕС можна отримати шляхом підключення електронагрівачів до електрогенератора.

Ротори гірляндою ГЕС, як правило, розташовуються в ядрі потоку (на 0,2 глибини від поверхні влітку та 0,5 глибини від поверхні льоду взимку). Глибина річки в місці установки гірляндою ГЕС не перевищує 1,5 м. При глибині річки понад 1,5 м. цілком можливо використовувати ротори, розташовані в два ряди.

Поява дач і навіть фермерських господарств на непридатних, віддалених від електромережі землях, галопуюче зростання цін на паливо та електрику викликали до життя старі ідеї автономного електропостачання з широким використанням природної енергії сонця, вітру та води. У тому числі зріс інтерес до міні- та мікро-ГЕС.

Дві з таких, прийнятних для будівництва самотужки гідроелектростанції: Мікро-ГЕС своїми руками і плавуча безплотинна міні-ГЕС. На черзі – конструкції, прообразом яких послужила вільнопотокова (зразка 1964 року) гірляндна ГЕС В. Блінова.

Дудишев В.Д.

Варіант №2

Гідроелектростанції, про які йтиметься, вільнопоточні, з оригінальною турбіною з так званих роторів Савоніуса, нанизаних на загальний (може бути і гнучким, складовим) робочий вал. Гребель та інших великомасштабних гідротехнічних споруд для своєї установки вони не вимагають. Чи здатні працювати з повною віддачею навіть на мілководді, що в поєднанні з простотою, компактністю та надійністю конструкції роблять ці ГЕС дуже перспективними для тих фермерів та садівників, чиї ділянки землі розташовані поблизу невеликих водотоків (річок, струмків та канавок).

На відміну від гребельних вільнопоточних гідроенергетичних установок, як відомо, використовують тільки кінетичну енергію поточної води. Для визначення потужності тут існує формула:

N=0,5*p*V3*F*n (1),

N - потужність на робочому валу (Вт),
- р - густина води (1000 кт/м3),
- V - швидкість течії річки (м/с),
- F - площа перерізу активної (занурюваної) частини робочого органу гідромашини (м2),
- n - ККД перетворення енергії.

Як видно з формули 1, при швидкості річки 1 м/с на квадратний метр перерізу активної частини гідромашини припадає в ідеалі (коли n=1) потужність, що дорівнює всього 500 Вт. Ця величина явно мала для промислового використання, але цілком достатньо для підсобного господарства фермера чи дачника. Тим більше, що її можна наростити шляхом паралельної роботи кількох «гідроенергогірлянд».

І ще одна тонкість. Швидкість річки різних її ділянках різна. А тому, перш ніж розпочати будівництво міні-ГЕС, необхідно визначити енергетичний потенціал вашої річки за простою методикою. Нагадаємо, що дистанція, пройдена вимірювальним поплавком і поділена на час його проходження, буде відповідати середній швидкості потоку на даній ділянці. Слід також зазначити: цей параметр залежно від пори року буде змінюватися.

Тому розрахунок конструкції слід робити, керуючись середньою (за планований період експлуатації міні-ГЕС) швидкістю течії річки.

Рис.1 Ротори Савоніуса для саморобних гірляндних міні-ГЕС:

а, б - лопаті; 1 – поперечний, 2 – торцевий.

Далі необхідно визначити розмір активної частини гідромашини та її тип. Оскільки вся міні-ГЕС має бути максимально простою і нескладною у виготовленні, найбільш підходящим типом перетворювача є ротор Савоніуса торцевої конструкції. Працюючи з повним зануренням у воду величину F можна прийняти рівної добутку діаметра ротора D з його довжину L, а n=0,5. Частоту обертання f з прийнятною для практики точністю визначають за формулою:

f=48V/3,14D (об/хв) (2).

Щоб зробити гідроенергоустановку найбільш компактним, потужність, що задається при розрахунку, слід співвіднести з реальним навантаженням, електроживлення якому повинна забезпечити міні-ГЕС (оскільки на відміну від вітродвигуна струм у мережу споживача тут видаватиметься безперервно). Як правило, ця електроенергія йде на освітлення, живлення телевізора, радіо, холодильник. Причому лише останній входить у роботу протягом доби постійно. Інші електроприлади працюють головним чином увечері. Виходячи з цього, доцільно орієнтуватися на максимальну потужність від однієї гідроенергогірлянди порядку 250-300 Вт, покриваючи пікове навантаження за допомогою акумуляторної батареї, що заряджається від міні-ГЕС.

Передача крутного моменту від робочого валу гідроенергоустановки на шків електрогенератора здійснюється зазвичай за допомогою проміжної трансмісії. Втім, цей елемент, строго кажучи, може бути виключений, якщо генератор, що використовується в конструкції мікро-ГЕС, має робочу швидкість обертання менше 750 об/хв. Проте від зв'язку доводиться часто відмовлятися. Адже для переважної більшості генераторів вітчизняного виробництва робоча швидкість обертання на початку «видачі» потужності лежить у межах 1500-3000 об/хв. Значить, потрібне додаткове узгодження валів гідроенергоустановки та електричного генератора.

Ну а тепер, коли попередня теоретична частина позаду, розглянемо конкретні конструкції, У кожної їх свої переваги.

Ось, наприклад, напівстаціонарна вільнопоточна міні-ГЕС з горизонтальним розташуванням двох співвісних, розгорнутих відносно один одного на 90° (для полегшення самозапуску) і жорстко пов'язаних роторів Савоніуса поперечного типу. Причому основні деталі та вузли цієї саморобної гідроенергетичної установки - з дерева як найбільш доступного та «слухняного» будівельного матеріалу.

Пропонована міні-ГЕС – занурювальна. Тобто опорна рама її розташовується поперек водотоку на дні і зміцнюється тросами-розтяжками або жердинами (якщо поруч, наприклад, є містки, човновий причал тощо). Робиться це для того, щоб уникнути винесення конструкції самим водострумом.

Рис.2 Занурювальна міні-ГЕС з горизонтальним розташуванням роторів поперечного типу:

1 - лонжерон-основа (брус 150x100, 2 шт.), 2 - поперечка нижня (дошка 150x45, 2 шт.), 3 - поперечка середня (брус 150х120, 2 шт.), 4 - стояк (кругляк діаметром 10 .), 5 лонжерон верхній (дошка 150x45, 2 шт.), 6 - поперечка верхня (дошка 100x40, 4 шт.), 7 - вал проміжний (нержавіюча сталь, пруток діаметром 30), 8 - блок шківів, 9 - генератор постійно струму, 10 - «гусак» з фарфоровим роликом та двожильним ізольованим проводом, 11 - плита-основа (дошка 200x40), 12 - шків ведучий, 13 - вузол дерев'яного підшипника (2 шт), 14 - ротор «гідроенергогірлянди» , 2 шт.), 15 диск (зі збитих у щит дощок завтовшки 20-40 мм, 3 шт); металеві елементи кріплення (включаючи розтяжки, маточини крайніх дисків) умовно не показані.

Очевидно, що глибина річки в місці установки міні-ГЕС повинна бути менше висоти опорної рами. Інакше дуже важко (і навіть неможливо) уникнути попадання води в електричний генератор. Ну а якщо місце, де передбачається розмістити міні-ГЕС, має глибину понад 1,5 м або там повноводність і швидкість течії, що сильно змінюються протягом року (що, до речі, досить типово для водотоків зі сніговим харчуванням), то цю конструкцію рекомендується оснастити поплавками . Це дозволить також легко переміщати її під час встановлення на річці.

Опорна рама міні-ГЕС є прямокутним каркасом з бруса, дощок і невеликих колод, скріплених цвяхами і дротом (тросами). Металеві частини конструкції (цвяхи, болти, хомути, куточки тощо) повинні бути наскільки можна з нержавіючої сталі або інших корозійностійких сплавів.

Ну а оскільки експлуатація подібної міні-ГЕС часто можлива в умовах Росії лише сезонна (через замерзання більшості річок), то після закінчення терміну роботи вся витягнута на берег конструкція підлягає ретельному огляду. Своєчасно змінюють дерев'яні елементи, що підгнили, іржаві, незважаючи на вжиті запобіжні заходи, металеві деталі.

Одним із головних вузлів нашої міні-ГЕС є «гідроенергетична гірлянда» із двох жорстко закріплених (і складових єдине ціле на робочому валу) роторів. Їхні диски легко виконати з дощок товщиною 20-30 мм. Для цього, склавши з них щит, за допомогою циркуля будують коло діаметром 600 мм. Після чого кожну з дощок обрізають згідно кривої, що вийшла на ній. Збивши заготовки воєдино на двох планках (щоб додати необхідну жорсткість), повторюють всі тричі - за кількістю необхідних дисків.

Що ж до лопатей, їх доцільно зробити з покрівельного заліза. А краще - з відповідних за розміром та розрізаних навпіл (вздовж осі) циліндричних нержавіючих ємностей (бочок), у яких зазвичай зберігають та перевозять сільгоспдобрива, інші агресивні матеріали. У крайньому випадку лопаті можна зробити дерев'яними. Але їхня вага (особливо після тривалого перебування у воді) сильно зросте. І це слід пам'ятати при створенні міні-ГЕС на поплавцях.

На торцях "гідроенергогірлянди" кріпляться шипові опори. По суті це короткі циліндри з широким фланцем і торцевим пазом для шпонки. Фланець кріпиться до відповідного диска ротора на чотирьох болтах.

Для зниження тертя передбачені підшипники, що розташовані на середніх поперечках. Оскільки звичайні кулькові або роликові підшипники для роботи у воді непридатні, використовуються... саморобні дерев'яні. Конструкція кожного з них складається з двох хомутів та дощечок-вкладишів з отвором для проходу опори шипової. Причому середні вкладиші підшипника розташовують те щоб волокна деревини тут йшли паралельно валу. Крім того, вживають особливих заходів, щоб дошки-вкладиші були жорстко зафіксовані від бічних зсувів. Роблять це за допомогою болтів, що стягують.

Рис.3 Підшипник ковзання у зборі:

1 - скоба обтискна (Ст3, смуга 50x8, 4 шт.); , 5 - болт М10 з гайкою та шайбою Гровера (4 компл.), 6 - шпилька М8 з двома гайками та шайбами (2 шт.).

Як електрогенератор в аналізованої мікро-ГЕС використовується будь-який з автомобільних. Видають вони 12-14 В постійного струму і легко стикуються як з акумуляторною батареєю, так і електроприладами. Потужність цих машин близько 300 Вт.

Цілком прийнятна для самостійного виготовлення та конструкція переносної міні-ГЕС з вертикальним компонуванням «гірлянди» та генератора. Така гідростанція, на думку автора розробки, найменш матеріаломістка. Опорною конструкцією установки, що фіксує її положення в руслі річки, є сталевий стрижень пустотілий (наприклад, з відрізків труби). Довжину його вибирають, виходячи з характеру дна водотоку та швидкості течії. Причому такий, щоб гострий кінець стрижня, вбитий у дно, гарантував би стійкість міні-ГЕС та незривність її течією. Можливе додаткове використання розтяжок.

Визначивши за формулою (1) активну поверхню ротора і заміривши глибину річки в місці установки міні-ГЕС, легко розрахувати діаметр роторів Савоніуса, що використовуються тут. Щоб зробити конструкцію простою та самозапускною, доцільно виконати «гідроенергогірлянду» з двох роторів, з'єднаних так, щоб лопатки першого були на 90° зміщені щодо другого (по осі обертання). Причому підвищення ефективності роботи конструкція із боку набігаючого потоку обладнана щитком, які грають роль направляючого апарату. Ну а робочий вал кріпиться у підшипниках ковзання верхньої та нижньої опор. У принципі, при короткому часі експлуатації міні-ГЕС (наприклад, у туристичному поході) можна використовувати і шарикопідшипники великого діаметру. Однак за наявності у воді піску або мулу після кожного використання ці вузли доведеться промивати в чистій воді.

Рис. 4 Міні-ГЕС з вертикальним розташуванням роторів торцевого типу:

1 - штанга-опора; 2 - вузол нижнього підшипника; 8 - електрогенератор, 9 - «гусак» з порцеляновим роликом і двожильним ізольованим проводом, 10 - хомут кріплення генератора, 11 - рухомий щиток-напрямна; а, б - лопаті: розтяжки на верхньому кінці штанги-опори умовно не показані.

Кріплення опор до стрижня болтове та зварене, залежно від ваги «гідроенергогірлянди» та необхідності її розбирання на частини. Верхній кінець робочого валу гідромашини одночасно є і вхідним валом мультиплікатора, як якого (як найбільш простий і технологічний) може бути застосований ремінний.

Електрогенератор береться автомобільний. До стрижня опори легко прикріпити хомутом. А самі дроти, що йдуть від генератора, повинні мати надійну гідроізоляцію. На ілюстраціях точні геометричні пропорції проміжної трансмісії умовно не показані, оскільки залежать від параметрів конкретного генератора, що є у вас. Ну а ремені для трансмісії можна виготовити зі старої автомобільної камери, розрізавши її на стрічки шириною 20 мм з наступним скручуванням в джгути.

Для електропостачання малих сіл підійде гірляндна міні-ГЕС конструкції В.Блінова, що представляє не що інше, як ланцюжок бочкоподібних роторів Савоніуса діаметром 300-400 мм, закріплених на гнучкому тросі, протягнутому поперек річки. Один кінець троса кріпиться до шарнірної опори, а інший через найпростіший мультиплікатор до валу генератора. При швидкості перебігу 1,5-2,0 м/с ланцюжок роторів робить до 90 об/хв. А малі розміри елементів гідроенергогірлянди дозволяють експлуатувати цю мікро-ГЕС на річках з глибиною менше одного метра.

Треба сказати, що В.Блінову до 1964 року вдалося створити кілька переносних та стаціонарних міні-ГЕС своєї конструкції, найбільшою з яких була ГЕС, споруджена біля села Порожки (Тверська область). Пара гірлянд тут приводила у обертання два стандартні автотракторні генератори загальною потужністю 3,5 кВт.

МК 10 1997 І. Докунін

Варіант №3

Саморобна гідроелектростанція (ГЕС) маленької річки без греблі.

Відомо, що електроенергію виробляє генератор, вал якого обертає двигун. Двигун ГЕС влаштований просто: на рамі з колод укріплені стійки з двома колінчастими валами А та Б (див. рис. 3).

Кожен вал має три коліна, кути між якими дорівнюють 120°. Колінчасті вали з'єднані штангами, до яких прикріплені лопатки. На малюнку 1 ви бачите, що в даний момент всі лопатки штанги знаходяться внизу, вони занурені у воду і під її натиском переміщаються назад (вправо). Лопатки рухають штангу, а штанга, своєю чергою, повертає колінчасті вали. Як тільки коліна, з'єднані цією штангою, почнуть підніматися вгору, у воду занурюються лопатки штанги Г. Тепер вони вже вступають у роботу. Потім почнуть працювати лопатки штанги Д. До цього часу лопатки першої штанги пройдуть над поверхнею води і знову опустяться у воду. Отак і працюватиме двигун електростанції Логіна.

Якщо насадити на кінець одного з колінчастих валів шків і з'єднати його ремінною передачею зі шківом генератор постійного струму, генератор почне виробляти електрику. А якщо до ведучого шківа приробити шатун і з'єднати його з насосом, двигун качатиме воду на пришкільну ділянку, на ваш город.

Потужність двигуна залежить не тільки від швидкості течії води, а й від числа та площі лопаток, тобто від геометричних розмірів самого двигуна. А його можна зробити будь-яких розмірів відповідно пропорційно збільшуючи або зменшуючи розміри його деталей.

Рис. 1 Основні розміри частин міні-гес без греблі.

Ми даємо креслення двигуна, який при швидкості течії води 0,8—1 метр на секунду обертатиме генератор від легкового автомобіля. Напруга, що виробляється генератором, 12, а потужність - до 150 Вт.

Рис.2 Основні вузли саморобної ГЕС без греблі.

Перш ніж приступати до будівництва гідростанції, в майстерні або магазині, де продаються запчастини для автомобілів, підберіть генератор. Заготуйте матеріали: дошки, колоди невеликого діаметру, сталевий дріт, кріплення. Підберіть місце, де буде перебувати електростанція. Бажано, щоб це була пряма ділянка річки. Тут слід визначити швидкість течії. Робиться це так. На вибраній ділянці довжиною 15-20 метрів намітте два поперечні створи. Після цього за допомогою невеликого поплавця, наприклад тріски, визначте швидкість течії води. Поплавець слід кидати у воду трохи вище верхнього стула і, стежачи за ним, по секундоміру відрахувати час проходження поплавця від верхнього стула до нижнього. Потрібно зробити 10—15 таких вимірів, кидаючи поплавець то далі, то ближче до берега, і за результатами вимірів підрахуйте середню швидкість течії річки. Якщо вона лежить в межах 0,8-1 м/с, сміливо приступайте до будівництва.

Рис.3. Колінчасті вали міні ГЕС без греблі.

Як зробити складні деталі міні ГЕС без греблі. Колінчастий вал міні Гес без греблі.

Його можна виготовити із цільного сталевого прута діаметром 16-20 мм. Але легко зробити його збірним (рис. 3). Спочатку наріжте із прута заготівлі деталей 1, 2, 3 і 4. Щечки колін зробіть із сталевої смуги товщиною 5 мм. На кінцях стрижнів запиляйте квадрати, а в щічках квадратні отвори. Після з'єднання деталей квадрати розклепуються. Спочатку слід зібрати частини колінчастого валу "а" і "б" (див. рис. 3). Потім треба розмітити і випиляти квадрати на вільних кінцях стрижнів 2 і 3 так, щоб середнє коліно (після збирання) було розташоване під кутом 120° стосовно крайніх.

Штанги із лопатками міні-ГЕС без греблі.

Пристрій передачі міні-ГЕС без греблі.

Колінчастий вал, а отже, і ведучий шків будуть обертатися зі швидкістю приблизно один оберт за дві секунди. Генератор може виробляти електричний струм при 1000-1500 оборотах в хвилину. Щоб отримати таку кількість оборотів на генераторі, потрібна передача зі шківів різного діаметра (рис.).

Жолобчасті шківи виготовляються із фанери товщиною 5 мм. Для кожного шківа слід випиляти по п'ять кіл. Вони збиваються цвяхами або стягуються шурупами. Провідний шків, який міцно зміцнюється на кінці колінчастого валу, повинен мати діаметр не менше 700 мм. Два проміжні прибиваються один до одного і вільно надягають на вісь. Вони повинні легко обертатися на цій осі. Якщо швидкість обертання ведучого шківа буде 30 оборотів за хвилину, то діаметр малого проміжного шківа можна прийняти рівним 140 мм, а великого – 600 мм. Тоді шків генератора (діаметром 60 мм) обертатиметься зі швидкістю 1500 оборотів на хвилину. За інших числах оборотів ведучого шківа діаметри проміжних шківів будуть інші. Підрахувати їх розміри допоможе вчитель праці.

Привідні ремені міні-ГЕС без греблі.

Шківи передачі з'єднуються приводними ременями. Щоб ремені завжди були добре натягнуті, зробіть їх із гумового джгута. Стару автомобільну камеру розріжте на довгі стрічки. Кожну стрічку скрутіть у джгут, а кінці склейте гумовим клеєм і туго перев'яжіть шпагатом.

Регулювання міні-ГЕС без греблі.

Після збирання механізму перевірте, чи вільно обертаються штанги. Повертаючи ведучий шків рукою, зауважте, яка зі штанг перешкоджає обертанню колінчастих валів. Після цього зніміть штангу і збільште один з отворів для шийки коліна так, щоб воно стало трохи довгим.

В. Ківоносов, В. Слащіліна

Варіант №4

На більшості рік можна побудувати невеликі недорогі безплотні гідроелектростанції (ГЕС). Потужність таких електростанцій невелика, але достатньо для електрифікації будинку і навіть невеликого селища.

На річках зі швидкістю перебігу 0,8 метра в секунду і більше можна встановити бездротовий гідродвигун нового типу. Принцип дії цього двигуна зрозумілий з прикладених малюнків та схем.

Під натиском води лопатки переміщують штанги, рух яких обертає кривошип. На його валу сидить шків.

Обертання шківа і передається генератору. Потужність двигуна залежить від швидкості течії води.

У місцях, де швидкість течії невелика, треба звузити русло річки. Конструкція гідродвигуна, наприклад на 3,5 кіловата, настільки проста, що його можна зробити в будь-якому шкільному гуртку чи майстерні.

М. Логін