НЕ МУКУ, А ТОК
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
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 100x20 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.