Электростанция на воде. Мини-гидроэлектростанции для частного дома, дачи. Для чего могут быть использованы данные сооружения

Среди всех альтернативных источников энергии, наибольшей популярностью пользуются гидроэлектростанции. Этот факт объясняется достаточно просто - при тех же капиталовложениях, отдача значительно больше. Единственный недостаток в том, что для стабильной работы необходима река или ручей.

Классификация мини ГЭС

В зависимости от принципа работы выделяют четыре основных типа гидроэлектростанций:

ГЭС гирлянда, для усиления потока воды используются дополнительные гидросооружения;
классическое водяное колесо, наиболее простой вариант, для самодельной ГЭС;
пропеллер, подходит в том случае, если русло реки более 10 м в ширину;
ротор Даоье применяется для изготовления промышленных микро ГЭС.

Объединяет все эти разновидности гидростанций то, что для их работы не нужно строить плотину. Данная конструкция - это высокоточный и дорогостоящий инженерный объект, возведение которого стоит в разы больше, чем сама ГЭС.

Второй критерий, по которому следует разделить маленькие гидроэлектростанции - возможность применения в бытовых и промышленных целях. Речь идет о том, что один и тот же тип ГЭС может иметь несколько вариантов подачи и отвода воды. Это делает возможным, создание электростанций, которые могут работать в закрытой системе трубопроводов. Актуальны они для фабрик и предприятий, производственный процесс, которых связан с большими затратами воды. Кроме того, мощность установки должна соответствовать потребности в электричестве.

Бытовые установки намного проще и дешевле. Но их монтаж возможен только в том случае, если есть постоянный источник воды. При этом речь не идет о муниципальном водопроводе.

Преимущества мини ГЭС

работает практически бесшумно и не загрязняет атмосферу;
никак не влияет на качество воды, при желании, на водоотводе устанавливается фильтры, что делает воду пригодной для питья;
работа станции не зависит от погодных условий, электричество вырабатывается 24 часа в сутки;
для работы ГЭС достаточно даже небольшого ручья;
есть возможность продавать излишек электроэнергии соседям;
нет необходимости собирать справки и разрешения.

Сравнение самодельной и заводской мини ГЭС

Для бытового использования нужно не более 20 кВт в сутки. Это не так много, поэтому целесообразность покупки ГЭС, изготовленной промышленным способом, ставится под сомнение. Кажется, что нет никаких сложностей в том, чтобы изготовить гидростанцию колесного или пропеллерного типа. Но на практике возникает ряд проблем.

Во-первых, сложно произвести необходимые расчеты, во-вторых, толщина и размер деталей подбираются исключительно опытным путем, в-третьих, самодельные ГЭС изготавливаются без защитных элементов, что приводит к постоянным поломкам и, как следствие, дополнительным растратам.

Если нет опыта в гидроэнергетике, от идеи самодельной установки лучше отказаться. Намного проще и надежнее обговорить вопрос с соседями и совместными усилиями приобрести фабричную ГЭС с гарантией качества. Кроме того, компании, продающие данные установки, осуществляют их монтаж.

Обзор производителей мини ГЭС

На самом деле, производством мини ГЭС занимается не так много фирм. Компании-посредники стараются не разглашать эту информацию, поскольку потеряют львиную долю доходов. Среди тех фабрик, которым действительно стоит доверять, нужно выделить CINK Hydro-Energy. Это признанный мировой лидер в сфере разработок гидрооборудования.

Тем не менее, перед тем, как связываться с менеджером компании, необходимо подсчитать затраты на обработку информации, логистику и установку. В большинстве случаев сумма получится не на много меньше, чем у посредников.

В какой компании заказать мини ГЭС

Учитывая, что техника достаточно дорогая и для изготовления требуются точные математические расчеты, имеет смысл обратиться к компаниям, которые положительно зарекомендовали себя на рынке. Альтернативная энергетика - это новое направление для нашей страны, поэтому список достаточно небольшой.

1. AEnergy крупнейший поставщик качественных ГЭС, компания оказывает полный спектр услуг от сбора и обработки информации, до установки гидростанции.

2. ИНСЭТ - это компания из Петербурга. Она самостоятельно занимается изготовлением ГЭС, поэтому за качество отвечает лично. Преимущества сотрудничества в том, что есть возможность заказать микро ГЭС на 5-10 кВт.

3. Гидропоника - еще одна отечественная компания, которая самостоятельно изготавливает ГЭС. Гарантия на всю продукцию 10 лет. Наиболее интересная модель Шар-Булак с мощностью в 5 кВт.

4. НПО Инверсия - конструкторское бюро, специализирующиеся на разработке альтернативных и стандартных источников энергии. Отличительные черты - наличие нестандартных ГЭС с мощностью в 7,5 и 12,5 кВт.

5. Micro hydro power - китайская компания, продающая несколько относительно недорогих бытовых установок.

Если неподалеку от населенного пункта протекает небольшая река, то на ней можно расположить мини-ГЭС. С ее помощью можно получать недорогую электроэнергию. Это необходимо для загородного дачного пункта, если там отсутствует электроснабжение.

Для этого нужно сделать следующее:

Выполнить измерение скорости потока речки. Это не так сложно, как кажется. Для этого рекомендуется бросить небольшой кусок ткани, а затем замерить, за какое время он проплывет участок в 10 метров. В случае если замеры не превысят 1 м/с, то эффективности от такой мини-ГЭС не будет, поэтому нет смысла ее устанавливать.
Можно исправить ситуацию, если русло немного заузить или устроить плотину. Чтобы правильно сориентироваться, рекомендуется использовать отношение скорости потока и показателя мощности электрического вала. Согласно произведенным расчетам, мощность имеет прямо пропорциональную зависимость от скорости потока реки.

Малые гидроэлектростанции сегодня очень популярны в силу ряда причин.

О типах мини-ГЭС

Малая гидроэнергетика сегодня развивается, и это отличное решение экономии энергетических ресурсов. Генератор для мини-ГЭС можно приобрести в магазине, а можно изготовить самим.

Всего существует несколько вариантов изготовления МГЭС:

Портативная гидроэлектростанция удобна в использовании, их конструкции просты.

Достоинства мини-ГЭС

Малые ГЭС обладают рядом преимуществ:

мини-гидротурбина работает тихо, без шума;
отсутствуют выбросы вредных веществ в атмосферу при функционировании;
никаким образом не влияет на качественные характеристики воды;
не зависит от внешних условий;
малые ГЭС вырабатывают энергию в течение суток бесперебойно;
для обеспечения работы можно воспользоваться даже небольшим ручьем;
при наличии излишков энергии, ее можно реализовывать и получать доход;
для обеспечения выработки энергии гидростанциями не нужно оформлять разрешение.

Сегодня малые ГЭС России пользуются небывалой популярностью. Их несложно выполнить самостоятельно, а можно приобрести в магазине. Малая гидроэнергетика – это прибыльное дело.

Недостатки

Наряду с достоинствами, малые ГЭС имеют некоторые недостатки:

Гирляндная малая ГЭС несет в себе опасность для окружающих: подвижные части скрыты в воде, трос имеет большую длину.
Невысокий КПД.
Ротор Дарье. Этот водяной генератор сложен в изготовлении.

Малые гидротурбины весьма специфичны в принципе своего действия в отличие от турбин обычных ГЭС. Процесс работы микро гидротурбины интересен тем, что свойства ее строения могут обеспечить под конкретный объект тот объем водных масс, который будет поступать на части гидротурбины (лопасти), приводить в рабочее состояние генератор (генератор играет роль выработки электроэнергии).

Процесс усиления напора воды обеспечивается образованием «деривации» - сходов воды в свободном течении (при условии, что эта микро ГЭС деривационного типа) или плотиной (условие – мини ТЭС по типу плотины).

Мощность мини ГЭС

Уровень мощности мини ГЭС напрямую зависит от условий, в которых ее гидротехнические свойства находятся:

Расход воды – это тот объем водных масс (л), который проходит через турбину за определенный промежуток времени. Принято за этот промежуток принимать 1-2 секунды.
Напор воды – расстояние между двумя противоположными точками водной массы (одна расположена вверху, другая в нижней части). Напор имеет ряд характерных особенностей, от которых зависят и виды микро ГЭС (высокий напор, средний напор, низкий напор)

Особенность работы микро ГЭС оценивается с точки зрения ее территориального размещения. Например, напорная микро ГЭС осуществляет работу по типу отведения водных потоков по особому каналу, сделанному из дерева, находящегося под определенным углом наклона, что позволяет воде быстрее протекать. Напор воды в таком ГЭС зависит от того, насколько этот канал длинный. Далее вода перетекает в напорный трубопровод, после чего попадает в гидроагрегат, который располагается в нижней части. Затем переработанная вода путем выдавливания направляется обратно место истока.

Расположение мини ГЭС

Важно заметить, что положение гидротурбины в зависимости от вида построения может быть разным:

Горизонтальное положение. Такое положение гидротурбины приводит к естественному увеличению размеров самой мини ГЭС (с помощью турбинного вала, который так же увеличивает размер, системы энергии при вращении, а так же изменение масштабов машинного зала). Однако стоит отметить, что строительство подобных гидротурбин не является более сложным в сравнении с остальными, а даже наоборот, упрощает его.
Вертикальное расположение. Данный вид расположения способствует уменьшению размеров ГЭС, позволяет улучшить баланс осевых линий, ее компактности. Такое размещение более сложное в построении, так как создается необходимость детального баланса оси во вращательном элементе. Так же в такой ситуации важно более тщательно отнестись к обязательному положению рабочего пола, когда он будет в одну горизонтальную линию и его прочностных характеристик, что бы они были в состоянии выдержать вес всего построения. Вертикальное расположение усиливает давление на ось конструкции.

Применение мини ГЭС

В общем и целом установки малых ГЭС используются в основном для применения их в отдаленных районах жилых объектов. Они не могу являться серьезными конкурентами крупным электростанциям, а скорее служат для обеспечения экономии энергии. С недавних пор количество людей, использующих , как гидроэлектростанции, батареи солнечного типа и различные установки ветряного регулирования. Турбины, описываемые в этой статье в скором времени могут стать единым целым с этими новаторскими источниками энергии, что в итоге приведет к созданию новых электрических схем и моделей.

Для чего могут быть использованы данные сооружения?

для обеспечения электроэнергией объектов частной собственности;
для отдаленных промышленных районов;
для электрических зарядных станций;
для временного использования.

Преимущества мини ГЭС

У малых ГЭС есть ряд особых преимуществ:

они выпускаются в двух вариантах: закрепленные на дне водоема, а так же с особыми крючками, которые позволяют проводить работы на поверхности
установка может достигать мощности, равной 5 КВ, дабы увеличить мощность и КПД ГЭС турбины устанавливаются как модули
ГЭС негативно никак не влияют на окружающую среду в процесс строительства, т.к. для ее создания используется природная вода, которая направляется в определенный поток и приводит в движение лопасти.

Турбины для мини ГЭС

Теперь поговорим непосредственно о гидротурбинах для мини ГЭС и о том, что нам необходимо для ее строительства. Характеристики и особенности эксплуатации гидротурбины:

Температура воды, которая подается в турбину, должна превышать +4 °С.
Температура, которая должна быть в блоковом модуле +15 °С и выше.
Звуковое давление, источник которого находится за 1 м от гидротурбины, составляет 80 дБ и не более.
Наружная поверхность гидротурбины должна быть разогрета до температуры не выше +45°С при условии, что температура воздуха вокруг +25°С.

Рассмотрим пример хорошо сбалансированной и работающей гидротурбиной в идеальных условиях.

Допустим, что мы имеем проточную гидротурбину, радиальную, напоростурйную со средним напором, которая обеспечивает тангенциальную подачу воды на лопасти, вал горизонтальный. Такие типы труб относят к классу «тихих». Они имеют особенность приспособления к окружающей среде, месту установки и различным перепадам высотных давлений. Если расход воды резко меняется, то в турбине применяется конструкция двухкамерного мешка, что делает работу устройства более качественной.

Корпус любой гидротурбины изготавливается из стали конструкционного типа, она прочная и надежная. Затраты на материалы, строительство значительно снижены по сравнению с гидротурбинами для обычных ГЭС. Самый распространенный материал, используемый для строительства гидротурбины, будет выдерживать перепады от 90 до 120 метров, некоторые детали изготавливаются из нержавеющей стали (корпус, трубопроводы).

В гидротурбинах нового поколения есть возможность заменять генератор и рабочее колесо без сильной деформации и перебирания. Стоит отметить, что рабочее колесо имеет свойство самоочищаться благодаря водным потокам, которые в процессе своей работы проходят через область рабочего колеса. Во время проектирования генератора и самой гидротурбины принимается рад мер, позволяющий снизить кавитационный уровень. Нынешние гидротурбины на 100 процентов лишены этой проблемы.

Главная часть гидротурбины – это рабочее колесо. Материалом для изготовления лопаток зачастую является сталь профильного типа. Лопатки в силу своих свойств могу создавать усилие осевого уровня, облегчая работу подшипникам, а сами рабочие колеса находятся на постоянном балансе. Продолжительность работы оси рабочего колеса определяется ее положением, для более долгой работы ее устанавливают на подшипниковый уровень.

Особенности гидротурбин для мини ГЭС

Могут быть использованы в системах очистки для получения качественной питьевой воды.
Возможно подключение промышленного генератора.
Повышенные требования к надежности генератора.

Некоторые характеристики технического плана:

Перепад высот: 3 - 200 м
Водорасход: 0,03 - 13 кубических метра в секунду
Мощность: 5 - 3 000 кВт
Число лопаток, расположенных на осевом секторе: 37
КПД: 84% - 87%

Конечно, мини ГЭС вряд ли смогут стать основным источником энергии, однако их использование вполне целесообразно в качестве средства уменьшения нагрузки на основную питающую энергосеть, особенно в периоды пикового потребления.

Если у Вашего жилища протекает река или даже небольшой ручей, то с помощью самодельной мини ГЭС Вы можете получить бесплатную электроэнергию. Возможно это будет не очень большое пополнение бюджета, но осознание того, что у Вас есть своя собственная электроэнергия — стоит гораздо дороже. Ну а если, например на даче, нет центрального электроснабжения — то даже небольшие мощности электроэнергии будут просто необходимы. И так, для создания самодельной гидроэлектростанции необходимо как минимум два условия — наличие водяного ресурса и желание.

Если и то и другое присутствует, то то первое, что нужно сделать – это измерить скорость потока реки. Сделать это очень просто — бросаете в реку веточку и замерьте время, в течении которого она проплывет 10 метров. Поделив метры на секунды, вы получите скорость течения в м/с. Если скорость меньше 1 м/с, то продуктивной мини ГЭС не получится. В этом случае можно попробовать увеличить скорость потока искусственно заузив русло или сделав небольшую плотину, если имеете дело с не большим ручьем.

Для ориентира, можно использовать соотношение между скоростью потока в м/с и мощностью снимаемой электроэнергии с вала винта в кВт (диаметр винта 1 метр). Данные экспериментальные, в реальности полученная мощность зависит от многих факторов, но для оценки подойдет. 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 и т.д.

Мощность самодельной мини ГЭС пропорциональна кубу скорости потока. Как уже указывалось, если скорость течения недостаточная, попробуйте ее искусственно увеличить, если это конечно возможно.

Типы мини-ГЭС

Существует несколько основных вариантов самодельных мини гидроэлектростанций.

Это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды. Колесо погружено в поток меньше чем наполовину. Вода давит на лопасти и вращает колесо. Существуют также колеса-турбины со специальными лопатками, оптимизированными под струю жидкости. Но это достаточно сложные конструкции скорее заводского, чем самодельного изготовления.

Это ротор с вертикальной осью вращения, используемый для генерации электрической энергии. Вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета. Эта конструкция была запатентована Жорж Жан-Мари Дарье, французским авиационным инженером в 1931 году. Также часто используется в конструкциях ветрогенераторов.

Гирляндная гидроэлектростанция состоит из легких турбин — гидровингроторов, нанизанных и жестко закрепленными в виде гирлянды на тросе, переброшенном через реку. Один конец троса закрепляется в опорном подшипнике, второй — вращает ротор генератора. Трос в этом случае играет роль своеобразного вала, вращательное движение которого передается к генератору. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос.

Также заимствован из конструкций ветровых электростанций, такой себе «подводный ветряк» с вертикальным ротором. В отличие от воздушного, подводный пропеллер имеет лопасти минимальной ширины. Для воды достаточно ширины лопасти всего в 2 см. При такой ширине будет минимальное сопротивление и максимальная скорость вращения. Такая ширина лопастей выбиралась для скорости потока 0.8-2 метра в секунду. При больших скоростях, возможно, оптимальны другие размеры. Пропеллер движется не за счет давления воды, а за счет возникновения подъемной силы. Так же как крыло самолета. Лопасти пропеллера движутся поперек потока, а не увлекаются потоком в направлении течения.

Преимущества и недостатки различных систем самодельной мини ГЭС

Недостатки гирляндной ГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих (длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это своего рода небольшая плотина. Целесообразно использовать в безлюдных, удаленных местах с соответствующими предупредительными знаками. Возможно потребуется разрешение властей и экологов. Второй вариант — небольшой ручей у Вас в огороде.

Ротор Дарье — сложен в расчете и изготовлении. В начале работы его нужно раскрутить. Но он привлекателен тем, что ось ротора расположена вертикально и отбор мощности можно производить над водой, без дополнительных передач. Такой ротор будет вращаться при любом изменении направления потока — это плюс.

Наибольшее распространение при построении самодельных гидроэлектростанций получили схемы пропеллера и водяного колеса. Так как эти варианты сравнительно просты в изготовлении, требуют минимальных расчетов и реализуются при минимальных затратах, имеют высокий КПД, просты в настройке и эксплуатации.

Пример простейшей мини-ГЭС

Простейшую гидроэлектростанцию можно быстро соорудить из обычного велосипеда с динамкой для велофары. Из оцинкованного железа или не толстого листового алюминия надо заготовить несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Эти лопасти устанавливаются между спицами любым подручным способом или заранее заготовленными креплениями.

Если вы используете две лопасти, то установите их напротив друг друга. Если захотите добавить большее количество лопастей, то разделите окружность колеса на число лопастей и установите их через равные промежутки. С глубиной погружения колеса с лопастями в воду можете поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.

Вариант походной ветроэлектростанции рассматривался ранее.

Такая микро ГЭС не занимает много места и отлично послужит велотуристам — главное наличие ручья или речушки — что обычно и есть в месте разбивки лагеря. Мини ГЭС из велосипеда сможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны или другие гаджеты.

Гидроэлектростанции используют силу воды для получения электрической энергии. Самостоятельно изготовленные станции решают проблему удаленности от централизованных электросетей или помогают сэкономить на электричестве.

Преимущества и недостатки ГЭС

Гидроэлектростанции обладают следующими преимуществами перед другими видами альтернативных источников энергии:

Не зависят от погоды и времени суток (в отличие от ). Это позволяет вырабатывать большее количество энергии с предсказуемой скоростью.
Мощность источника (реки или ручья) можно регулировать. Для этого достаточно заузить русло плотиной либо обеспечить перепад высот воды.
Гидроустановки не издают никакого шума (в отличие от ).
Для многих типов станций небольшой мощности не требуется никаких разрешений на установку.

К минусам самодельных ГЭС относится невозможность работать в мороз. Кроме того, водная среда является агрессивной, поэтому детали станции должны быть водостойкими и прочными.

При проектировании мини-ГЭС для использования в качестве альтернативного источника энергии для собственного дома решающими должны быть следующие факторы:

Близость реки к дому. Устанавливать самодельную станцию в удалении от дома не стоит. Чем дальше установка, тем ниже ее эффективность, потому что часть энергии будет потеряна при передаче. Кроме того, так сложнее уберечь вашу ГЭС от кражи или порчи.
Достаточная скорость течения или возможность его увеличения. Мощность станции увеличивается в геометрической прогрессии при увеличении скорости воды.

Узнать скорость несложно. Бросьте кусочек пенопласта или теннисный шарик в воду и засеките время, за которое он проплывет определенную дистанцию. Затем разделите метры на секунды и вы узнаете скорость. Минимально достаточная скорость воды для самодельной ГЭС - 1 м/с.

Если скорость течения вашей реки или ручья ниже этого значения, то ее усилит маленькая плотина либо сужающаяся труба. Но эти варианты могут вызвать дополнительные трудности. Строительство плотины требует разрешения от властей, а также согласия соседей.

Мини-гидроэлектростанция своими руками

Конструкция ГЭС достаточно сложная, поэтому самостоятельно удастся построить лишь небольшую станцию, которая позволит сэкономить на электричестве или обеспечит энергией скромное хозяйство. Ниже приведены два примера реализации самодельной ГЭС.

Как сделать мини-ГЭС из велосипеда

Этот вариант ГЭС идеален для велопоходов. Он компактный и легкий, но сможет обеспечить энергией небольшой лагерь, разбитый на берегу ручья или реки. Полученного электричества хватит на вечернее освещение и зарядку мобильных устройств.

Для монтажа станции понадобится:

Переднее колесо от велосипеда.
Велогенератор, который используется для питания велосипедных фонарей.
Самодельные лопасти. Их вырезают заранее из листового алюминия. Ширина лопастей должна быть от двух до четырех сантиметров, а длина - от втулки колеса до его обода. Лопастей может быть любое количество, располагать их нужно на одинаковом расстоянии друг от друга.

Чтобы запустить подобную станцию, достаточно погрузить колесо в воду. Глубина погружения определяется экспериментально, примерно от трети до половины колеса.

Для постройки более мощной станции для постоянного использования понадобятся более прочные материалы. Лучше всего подойдут металлические и пластиковые элементы, которые легче защитить от воздействия водной среды. Но годятся и деревянные детали, если пропитать их специальным раствором и покрасить водостойкой краской.

Для станции необходимы следующие элементы:

Стальной барабан от кабеля (2,2 метра в диаметре). Из него изготавливается ротор-колесо. Для этого барабан разрезается на части и сваривается заново на расстоянии в 30 сантиметров. Из остатков барабана делают лопасти (18 штук). Их приваривают к радиусу под углом в 45 градусов. Для поддержки всей конструкции из уголков или труб изготавливают раму. Колесо вращается на подшипниках.
На колесо устанавливается цепной редуктор (коэффициент передачи должен равняться четырем). Чтобы легче свести оси привода и генератора, а также снизить вибрацию, вращение передается через кардан от старого автомобиля.
Для генератора подходит асинхронный двигатель. К нему следует добавить еще один шестеренчатый редуктор с коэффициентом около 40. Тогда для трехфазного генератора с 3000 оборотами в секунду при общем коэффициенте редуцирования 160 количество оборотов снизится до 20 оборотов в минуту.
Поместите всю электрику в водонепроницаемую емкость.

Описанные исходные материалы легко найти на свалке или у знакомых. За резку стального барабана болгаркой и за сварку можно заплатить специалистам (или же сделать все самостоятельно). В итоге ГЭС мощностью до 5 кВт обойдется в незначительную сумму.

Получить электричество из воды не так и сложно. Труднее выстроить автономную систему электроснабжения на основе самодельной ГЭС, поддерживать станцию в рабочем состоянии и обеспечивать безопасность людей и животных вокруг нее.