Микро-ГЭС – электроэнергия от водного протока (часть вторая)

Первый шаг в этом деле – определение мощности водного потока, включающей в себя напор и расход воды. Напор предопределяет давление, развиваемое падающей водой, его значение зависит от вертикальной дистанции между уровнем воды в наивысшей точке напорного трубопровода или русла водоема и нижним уровнем, на выходе воды из гидротурбины. Единица измерения напора – метры, чем это значение выше, тем меньше будет расход воды, требуемый для выхода микро-ГЭС на заданную мощность. Расход воды – это количество жидкости, проходящее по руслу в участке размещения малой гидроэлектростанции (створ) за единицу времени. Измеряется расход в литрах или кубометрах воды в секунду.

Соответственно, высокий напор позволит использовать турбину меньших размеров, что дешевле, а небольшой расход воды дает возможность задействовать трубопровод с небольшим диаметром, что, опять же, снизит расходы на создание малой гидроэлектростанции.

Если напор будет меньше метра, то ставить микро-ГЭС, скорее всего, будет невыгодно – низконапорные гидроэлектростанции устраиваются при минимальном напоре в 3 метра. Компенсировать слабый напор можно за счет высокого расхода воды, но в этом случае понадобится дорогостоящая турбина, массивная и имеющая большой размер. Приобрести низконапорную гидротурбину, способную вырабатывать достаточное количество электроэнергии, практически невозможно.

Как рассчитать напор водотока

Сразу отметим – для получения наиболее точных результатов понадобится помощь гидрогеологов. Величина напора определяется по итогам расчетов статического (общего) и динамического (чистого) напоров. Расстояние по вертикали от наивысшей позиции напорного трубопровода до точки выхода воды из гидротурбины называется статическим напором. Динамический напор представляет собой разность между статическим напором и его потерями из-за трения и турбулентных завихрений, возникающих при движении воды в трубопроводе. Чем длиннее и извилистей будет трубопровод, чем он меньше в диаметре и чем больше в нем сочленений – тем выше потери напора. Оценка потенциальной мощности микро-ГЭС может основываться только на данных статического напора, но ее точность будет очень условной.

Рассмотрим несколько способов самостоятельного определения напора. Но прежде, чем приступить к измерениям по одному из описанных ниже методик, обратите внимание на соблюдение мер безопасности.

Важно: Будьте осторожны во время работ, выполняемых вблизи или непосредственно в водном потоке. Особое внимание вопросам безопасности следует уделить перед началом работ в узких либо крутых руслах, а также при быстром течении воды. Не следует производить замеры в одиночку! Не входите в воду, если с поверхности водоема не видно дна – промерьте глубину жердью достаточной длины.

Водопад. Самостоятельно определить напор в водопаде с высокими или, тем более, отвесными стенами непросто – тут применяется метод триангуляции, расчеты для которого производятся с использованием специального геодезическое снаряжение.

Водосток, идущий с холма. Чтобы измерить напор в невысоком водостоке с относительно пологими склонами, воспользуемся вертикальным уровнем и два колышка с закрепленной на них красной тряпицей. Что бы изготовить уровень понадобятся две бруса: первый длиной не менее полутора метров, второй – около 300 мм. Нужно закрепить гвоздями или шурупами короткий брус на торце длинного, затем измерить высоту полученного уровня – она должна равняться 1,5 метрам (при необходимости укоротите длинный брус).

Замеры высот выполняются в несколько этапов:

• ставим уровень у подножья склона, по которому стекает ручей, с помощью уровня на глаз определяем высоту подъема, равного полутора метрам – помощник должен установить в ней колышек-маркер;
• передвигаем уровень на место маркера и вновь замеряем высоту – помощник ставит колышек;
• продолжаем замеры до тех пор, пока не окажемся на вершине холма.

Следом умножаем длину уровня на количество измерительных этапов и получаем данные по напору в метрах.

Пологий водосток. Замер напора в русле реки или ручья производится при помощи самодельных приспособлений: 6-9 метров садового шланга диаметром 15 мм; воронки; выдвижной рулетки. На пологих водоемах эффективен лишь один тип бесплотинной микро-ГЭС – рукавная, поэтому расчет напора производится под ее конструкцию. Нужно плотно вставить воронку в шланг, передать этот конец помощнику, а самому взяться за шланг с другой стороны.

Порядок замеров следующий:

• работы начинаются с предполагаемой точки забора воды для рукавной микро-ГЭС. Помощник занимает позицию возле этого места, погрузив насаженную на шланг воронку в воду, но удерживая у поверхности. Свободная часть шланга проводится по течению, затем второй наблюдатель приподнимает ее конец над водой и отслеживает момент, когда вода перестанет течь. Нужно замерить рулеткой дистанцию от поверхности воды до высоты, на которой вода прекратила вытекать из шланга – запишите размер дистанции в журнал;
• оставаясь на месте замера, попросите помощника подойти к вам и встать вместо вас. Спустившись ниже по течению водотока, произведите измерения описанным выше способом, впишите их в журнал;
• повторяйте операции первого и второго этапа до тех пор, пока не окажитесь на месте будущего размещения гидротурбины.

Сложив вместе полученные данные, определяем общий напор между водозабором и микро-ГЭС. Следует принять во внимание кинетическую энергию воды, вынуждающую жидкость течь из шланга при выравнивании уровней между точками забора и слива. Вычтите по 40-50 мм из данных по каждому этапу, что позволит скорректировать измерения с учетом кинетики воды.

Как рассчитать расход воды в водоеме

Рассмотрим несколько способов определения расхода воды в водотоке, подходящих для малых и средних потоков.
Малый водопад или ручей. Нужно плотно перекрыть русло временной плотиной из доски с отверстием по центру, в отверстие вставить отрезок трубы. Не следует выбирать слишком тонкую трубу – вода не должна выливаться за пределы плотины. Слив воды по трубке производит в емкость, объем которой вам известен – нужно засечь время от начала набора воды до заполнения емкости. Для полной уверенности в результатах следует повторить эксперимент два-три раза.

Если водный поток будет использоваться в качестве источника первичной энергии для рукавной микро-ГЭС, то расход воды следует определять при помощи «импровизированного рукава» – трубы. Диаметр трубы должен быть примерно равен диаметру рукава будущей гидроэлектростанции и иметь длину не менее трети от протяженности будущего рукава. Нужно направить водоток в трубу, ко второму ее концу подставить емкость для сбора воды, при помощи секундомера засечь время наполнения емкости. Как и в случае метода с временной плотиной, опыт нужно повторить раза три.

Для выяснения расхода воды воспользуемся формулой: Q=V/t, где Q – расход воды, V – объем используемой емкости в м³ и t – время в секундах, затраченное на заполнение емкости.

Средний водоток. Чтобы рассчитать расход воды в реке или ручье слишком широких, чтобы можно было воспользоваться методом «плотины», нам потребуется выяснить скорость течения и площадь поперечного сечения русла водоема. Требуется найти наиболее прямолинейный участок реки (ручья) с ровным дном и низким уровнем воды.

Начнем промеры с определения площади сечения. Понадобятся:

• прочная бечевка (веревка), общая длина которой превышает ширину водотока на 30%. На нее следует нанести разметку с шагом 300 мм. Взамен бечевки можно воспользоваться размеченным брусом;
• два колышка, чтобы закрепить на них бечевку на берегах реки (ручья);
• мерный шест, размеченный с шагом 100 мм. Его длина выбирается в зависимости от глубины водоема;
• миллиметровая бумага (миллиметровка) для вычерчивания результатов промеров;
• помощник, который будет наносить результаты замеров на миллиметровку.

Натяните веревку строго поперек водотока, войдите в воду и, двигаясь вдоль бечевки, промерьте глубину воды при помощи шеста, ориентируясь на веревочную разметку. Необходимо выдерживать строго вертикальное положение шеста – это важно. Закончив промеры и внеся их данные на лист миллиметровки, следует определить площадь поперечного сечения русла. Для этого разбейте полученный рисунок на прямоугольники и треугольники, стараясь охватить как можно большую его площадь (в идеале – всю). Затем рассчитайте площадь каждой полученной геометрической фигуры, используя следующие формулы: площадь треугольника – ½ стороны, умноженная на длину высоты, проведенной к ней; площадь прямоугольника – произведение двух сторон, смежных друг с другом. Складываем полученные данные между собой и получаем искомую площадь поперечного сечения водостока.

Скорость потока воды. Чтобы произвести замеры, необходим помощник, еще одна веревка достаточной длины, секундомер и поплавок, который можно сделать из полулитровой пластиковой бутылки. Не снимая бечевку с участка реки, где вы выполняли измерения поперечной площади русла, отмерьте ровно шесть метров вверх по течению и натяните новую веревку параллельно предыдущей. Затем помощнику нужно наполнить бутылку 0,5 л водой наполовину, закрутить крышку и, расположив ее посередине водного потока, отпустить в плаванье, подав сигнал голосом. Сразу после сигнала включите секундомер и засеките время, за которое поплавок пройдет дистанцию до веревки, расположенной ниже по течению. Убедитесь, что поплавок-бутылка не цепляется за дно ручья либо за выступающие камни, не вращается в водоворотах – в противном случае замените полулитровую бутылку емкостью меньших размеров или найдите более подходящий участок водостока. Замеры скорости потока воды нужно повторить трижды, что позволит вычислить среднюю скорость по результатам измерений. Для расчета скорости воды нужно разделить расстояние между двумя веревками на время, за которое прошел его поплавок.

Полученную среднюю скорость воды нужно умножить на коэффициент, учитывающий потери скорости на дне реки (ручья). Его значения выбираются в зависимости от типа дна водотока:

• 0,8 – для песчаного дна;
• 0,7 – для дна, покрытого камнями мелких или средних размеров;
• 0,6 – для дна, содержащего большое количество крупных камней.

Расход воды Q определяется по следующей формуле: Q = S•V, где S – площадь поперечного сечения реки, а V – скорость водного потока. Единица измерения расхода воды – кубический метр в секунду.

Однако данные по расходу воды будут верны только лишь на момент выполнения замеров скорости и напора воды. Для определения среднего расхода воды за год или за сезон, требуется повторить измерения несколько раз, ориентируясь на уровень воды в реке. В повторном промере сечения водостока нет нужды – достаточно выяснить разницу между прежним уровнем воды и текущим, после чего скорректировать цифры на миллиметровом листе с предыдущими измерениями. Чтобы упростить задачу, установите в водоеме мерный шест, он позволит определить глубину воды с берега. Тем не менее, скорость потока каждый раз придется замерять лично.

Как рассчитать мощность водотока

Сила, с которой вода осуществляет работу, определяется ее весом. А работа водного потока зависит от напора и расхода текущей воды. Мощность потока воды рассчитывается по формуле N=p•g•Q•H, где:

• p – плотность воды, равна 1000 кг/м³;
• g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;
• Q – расход воды (м³/с);
• H – напор (м).

Поскольку значения плотности воды и ускорения свободного падения при нормальных условиях остаются неизменными, для определения мощности водотока нужно лишь вставить в формулу полученные расход воды (Q) и ее напор (H). Выглядеть формула будет так: N=9810•Q•H.

Однако полностью преобразовать кинетическую энергию воды в электроэнергию невозможно – часть ее будет непременно потеряна. Поэтому необходимо ввести в формулу определения мощности водотока КПД гидроагрегата (n).

Производительность микро-ГЭС в зависимости от их типа составляет порядка 0,55-0,95%. Соответственно минимальная мощность микро гидроэлектростанции рассчитывается так:

N=9810•Q•H•n≈9810•Q•H•0,55≈5395,5•Q•H.

К примеру, если расход воды в водотоке составляет 0,02 м³/с, а напор равен трем метрам, то микро-ГЭС будет вырабатывать по минимуму N=5395,5•0,02•3≈324 Вт.

Допустим, что микро гидроэлектростанция производит 324 Вт в час 24 часа в сутки, 354 дня в году. Соответственно, за сутки ее производительность составит 7,7 киловатт-часов, за год – 2726 киловатт-часов.

Микро-ГЭС своими руками

Самостоятельно спроектировать и построить малую гидроэлектростанцию, полностью обеспечивающую потребности загородного дома в электроэнергии – это не менее 4-5 кВт в час – непросто. Полную энергетическую независимость можно реализовать лишь с помощью микро-ГЭС заводского производства, укомплектованных низкоскоростными ортогональными (поворотнолопастными) гидротурбинами, которые изготовить в домашних условиях невозможно. А вот радиально-осевые модели ГЭС, к которым относится хорошо известное колесо с лопатками, можно сделать самостоятельно, используя непрофессиональное оборудование. Правда, их мощность не превысит одного 1 кВт.

Рассмотрим самодельную пико-ГЭС, созданную изобретателями из США.

На территории их усадьбы находится маловодный ручей с уступчатым руслом – напор по отношению к точке размещения гидроагрегата составляет 910 мм. Владельцы участка решили заменить предыдущую модель пико-ГЭС, также построенную ими самостоятельно, на новую в расчете достичь большей производительности. Прежний гидроагрегат с ременным приводом от радиально-осевого колеса к альтернатору вырабатывал около 160 Вт в час, электроэнергии было достаточно лишь для питания радио и двух энергосберегающих ламп.

Радиально-осевая гидротурбина была создана из двух дисков от старого дизель-генератора, между которыми приварили лопатки, изготовленные из стальной трубы диаметром 100 мм, разрезанной вдоль на четыре части.

Диаметр дисков радиально-осевого колеса – 300 мм. Изобретатели стремились воссоздать конструкцию гидротурбины Банки с тем условием, чтобы водный поток передал кинетическую энергию дважды – сначала лопастям вверху колеса, затем расположенным в его нижней части. Их турбина комплектовалась 16-ю лопатками. Чтобы упростить разметку отверстий для пяти стальных прутов, образующих ступицу колеса, точно задать положение лопаток и отверстий под четыре прутка с резьбой, дополнительно усиливавших жесткость конструкции колесной гидротурбины, был подготовлен бумажный шаблон с разметкой.

Диски приварили точечной сваркой друг к другу в двух местах, наклеили поверху размеченный шаблон из бумаги, затем высверлили технологические отверстия. В одном из дисков, том, что располагался на гидротурбине в противоположной точке от места соединения с валом генератора, было вырезано 100 миллиметровое отверстие по центру. Отверстие предназначалось для одной цели – после установки в него можно будет просунуть руку, чтобы удались различные предметы, попавшие внутрь турбины в процессе эксплуатации.

После диски разъединили, зачистили и вновь соединили друг с другом, но уже при помощи четырех прутков с резьбой, длина каждого – 265 мм. Перед тем, как приварить лопатки к дискам, пришлось удалять с линии будущего сварного шва слой оцинковки, присутствовавший на трубах с внешней и внутренней стороны. Иначе в зоне расплава металла при производстве сварки образовывались бы ядовитые для человека пары цинка.

Направляющий кожух гидроагрегата, предназначенный для вывода потока воды на колесо турбины, имеет трапециевидную форму – его ширина 250 мм, длина 300 мм. Высота отверстия, через которое будет выходить поток воды на турбину, равна 25 мм – данная мера позволит немного усилить скорость воды. Для закрепления на кожухе рукава трубы, по которой к гидроэлектростанции будет подведена вода, на его задней части (противоположной стороне, обращенной к турбине) под 45^о углом приварен отрезок трубы, диаметр которой совпадает с внутренним диаметром подводящего воду рукава. Конструкция рамы гидроагрегата позволяет смещать кожух вверх и вниз по отношению к гидротурбине, что позволяет добиться максимальной производительности.

Для изготовления статора применялась медная проволока толщиной 1,7 мм. Она свита девятью кольцами, в каждом по 125 витков. Шесть жил на выходе позволяют выстроить дельтовидную либо звездчатую топологию. После заливки полиэфирным стеклопластиком статор стал 355 мм в диаметре, его толщина – 1,3 мм.

Колеса роторов изготавливались на базе тормозных дисков. Чтобы правильно разместить на каждом роторном диске 12 магнитов размерами 25х50х12,5 мм каждый, использовался шаблон из толстого картона. Как и в случае со статором, сборку роторов завершила их заливка полиэфирным стеклопластиком.

На изображении показан альтернатор в собранном виде, установленный на пико-ГЭС. Снаружи на нем размещен преобразователь трехфазного переменного тока в постоянный, его защищает алюминиевый корпус – на 38 оборотах в минуту он выдает ток напряжением 12,5 вольт. Для последующей настройки зазора между роторами, в том из них, что был ближе к колесу гидротурбины, просверлили три отверстия.

Роль рукава, поставляющего воду к гидроагрегату, выполняет пластиковая труба длиной 2000 мм и диаметром 100 мм.

После установки и кропотливой настройки американским конструкторам удалось достичь несколько меньшей производительности, чем они рассчитывали – 293 ватта в час. Максимальная выработка электроэнергии была получена при переключении на звездчатую топологию и при довольно крупном 30 мм зазоре между роторами. К сведению – без нагрузки такая гидротурбина совершает 160 оборотов в минуту. Проблема, с которой изобретатели столкнулись в процессе эксплуатации созданного ими гидроагрегата – частицы песка, налипающие на магниты роторов.

Очевидные недостатки малой гидроэлектростанции, описанной выше: слабый напор, по сути, представленный дистанцией между рукавом трубы, снабжающей гидроустановку водой; полное отсутствие защитного кожуха в конструкции альтернатора.

В завершении

Реализация идеи по оснащению загородного дома собственной гидроэлектростанцией, несмотря на близость водотока, самостоятельно осуществить нелегко, но не невозможно. И все же стоит обратиться к специалистам в области малой гидроэнергетики, имеющими богатый опыт разрешения ряда вопросов, касающихся установки микро-ГЭС.

Очередной материал из серии «Альтернативное электроснабжение загородного дома» будет посвящен гелиопанелям, преобразующим солнечную энергию в электричество.