У цій статті розглянемо основні типи гідрогенераторів і їх особливості:
- водяне колесо;
- пропелер;
- Гірляндна гідроелектростанція;
- Ротор Дарьє.
Найпростіші в експлуатації і найнадійніші міні-ГЕС – це водяне колесо і пропелер. Їх нескладно побудувати власними руками, і вони не вимагають точних розрахунків. Водяне колесо, забезпечене лопатями, встановлюється перпендикулярно до водної поверхні таким чином, щоб воно було занурене у воду приблизно на третину – за принципом старовинних водяних млинів.
Міні-ГЕС на основі водяного колеса.
Гідрогенератор на основі водяного колеса
Установка водяного колеса
Існують різні варіанти установки водяного колеса. При цьому перепад висот водного потоку може бути організований штучно – щоб підвищити продуктивність міні-ГЕС.
Варіанти установки водяного колеса:
Нижньобійне водяне колесо (встановлюється безпосередньо у водний потік);
Установка нижньобійного водяного колеса
Среднебійне водяне колесо (встановлюється в місці перепаду висот водного потоку таким чином, що падаючий потік води потрапляє приблизно на середину колеса);
Установка середньобійного водяного колеса
Верхнебійне водяне колесо (встановлюється в місці перепаду висот водного потоку таким чином, що падаючий потік води потрапляє зверху колеса)
Установка верхньобійного водяного колеса
Виробники обладнання для міні-ГЕС пропонують спеціальні колеса-турбіни, оснащені лопатями, оптимізованими під ту чи іншу швидкість водного потоку. Народні умільці виготовляють водяні колеса таким же чином, як і предки, що ставили водяні млини, тобто без будь-якої оптимізації. З одного боку, це знижує ККД установки, з іншого – обходиться набагато дешевше, ніж придбання «магазинного» обладнання.
Використання пропелера
Пропелером називають колесо, аналогічне колесу вітряних млинів, але розташоване під водою. Він повністю занурений у воду (на відміну від водяного колеса), а ширина його лопатей мінімальна (на відміну від вітрового колеса).
Для різних швидкостей водного потоку вибираються лопаті різної ширини. Так, при швидкості 0,8-2 м/с оптимальна ширина – 2 см. Виробники обладнання для міні-ГЕС пропонують моделі пропелерів, які підходять для тієї чи іншої швидкості водного потоку. Але відповідний пропелер можна зробити і самостійно.
Безгребельні гідрогенератори: гірляндні ГЕС і ротор Дарьє
Існує ще два види безгребельних міні-ГЕС: гірляндні ГЕС і ротор Дарьє. Їх пристрій складніше, а тому такі гідрогенератори застосовуються рідше.
Гірляндна гідроелектростанція
Гірляндна ГЕС отримала назву від зовнішнього вигляду: сталевий трос діаметром 10-15 мм, на якому, як намистини, нанизані ротори. Трос в даному випадку виконує функцію гнучкого валу. Ним перегороджують русло річки, при цьому ротори повністю занурюються у воду. Один кінець троса з’єднується з підшипником, а другий – з валом генератора. Водний потік обертає ротори, а вони, в свою чергу, обертають трос.
Уже в 50-ті роки ХХ століття народні умільці споруджували гірляндні міні-ГЕС, використовуючи генератор від автомобіля, а в якості роторів – консервні банки.
Сьогодні технології рушили вперед, і промисловість пропонує ротори різних видів, що підвищують ККД генератора.
Як гідроколесо ефективніше використовувати не консервні банки, а пропелери (аналоги дитячих вертушок), виготовлені з тонких металевих листів. Одне таке гідроколесо дає до 2 кВт енергії при швидкості водного потоку 2,5 м/с. Глибина занурення роторів залежить від пори року: влітку їх опускають на 0,2 глибини від поверхні води, а взимку – на 0,5 глибини від поверхні льоду (якщо водний потік замерзає). При цьому глибина водного потоку не повинна перевищувати 1,5 м. Тобто подібні міні-ГЕС встановлюються на невеликих річках і струмках.
Конструкція гірляндної ГЕС з турбінно-тросовим приводом
Недоліки гірляндної ГЕС очевидні:
- висока матеріаломісткість, що призводить до досить значних початкових витрат;
- складність конструкції, що знижує надійність обладнання;
- необхідність перегороджувати річкове русло, що може становити небезпеку для оточуючих.
Найістотніший мінус – перегороджування русла. Подібне практично неможливо зробити в більш-менш жвавому місці: діти, рибалки, човни – все це заважає нормальній роботі гідрогенератора, причому навіть установка попереджувальних знаків мало допомагає. Залишається тільки огороджувати ділянку річки таким чином, щоб перешкодити доступ небажаних візитерів до обладнання, але це не завжди вдається здійснити. Тому гірляндні міні-ГЕС використовуються в основному в безлюдних місцях (наприклад, на літніх пасовищах).
Більш безпечним для оточуючих варіантом гірляндної міні-ГЕС є погружна установка, укладена в раму. У цьому випадку немає необхідності перегороджувати все річкове русло. Крім того, обладнання можна встановлювати практично при будь-якій глибині і ширині річки (якщо глибина занадто велика, то рама забезпечується поплавками).
Погружна міні-ГЕС з горизонтально розташованими роторами поперечного типу.
Схема погружной міні-ГЕС з горизонтально розташованими роторами поперечного типу
Принцип роботи ротора Дарьє
Ротор Дарьє – четвертий варіант міні-ГЕС. Це вертикальний ротор з лопатями спеціальної конструкції: потік води подає на них різний тиск, і за рахунок цього здійснюється обертання. Ефект нагадує підйомну силу, що діє на літакове крило, яка виникає через різницю між тиском повітря над крилом і під ним.
У конструкції гідрогенератора ротор Дарьє використовується найрідше, тому що перед початком експлуатації його необхідно розкрутити. До плюсів такого обладнання відноситься те, що розкручений ротор Дарьє продовжує працювати незалежно від сезонних змін швидкості водного потоку. Зупинити його може тільки повне промерзання води. Але обладнання цього типу є дорогим і складним в експлуатації.
Переваги гідрогенераторів
Якщо ви збираєтеся встановлювати гідрогенератор, майте на увазі, що багато невеликих водотоків в холодну пору року замерзають. Крім того, для них характерні зміни рівня, обсягу і швидкості води в залежності від сезону. А деякі водойми просто пересихають в літній період. Всі ці фактори впливають на працездатність і ККД гідрогенератора.
Більш того, через них міні-ГЕС може виявитися лише сезонним джерелом енергії. Наприклад, якщо річка або струмок пересихає влітку, гідрогенератор буде працювати тільки в холодну пору року, а якщо замерзає на всю глибину взимку, то зможе забезпечувати ваш дім електрикою лише при плюсових температурах навколишнього середовища.
Періоди, коли гідрогенератор не експлуатується, використовуються для технічного обслуговування. З головної тріади безпаливної енергетики – гідро-, вітро- та геліоенергетики – перша вимагає самих значних початкових витрат, а обладнання найскладніше в експлуатації і має найменший ресурс служби (робота здійснюється в агресивному середовищі).
Але при цьому є й очевидні плюси: обладнання для міні-ГЕС випускається давно, воно ретельно випробувано і надійне – відомо, чого від нього чекати. Виробляють його багато компаній, в тому числі і вітчизняні, які пропонують різні варіанти комплектації, розраховані на всі можливі різновиди водних потоків і умов експлуатації. В даний час виготовляються міні-ГЕС, оснащені пристроями автоматичного регулювання. Це обладнання благополучно працює «саме по собі», не вимагаючи постійної присутності людини.
