Мини-гэс из автомобильного генератора: особенности, типы конструкции и преимущества изобретения

Мини ГЭС своими руками

Для того чтобы изготовить своими руками необходима смекалка, умение работать руками и водный объект, да кое-что по мелочам, как то автомобильный генератор, колесо от любого средства передвижения и передаточный механизм (шкивы, шестерни, зубчатая передача).

В начале необходимо изготовить водяное колесо. Для этого берется колесо от велосипеда, мотоцикла или автомобиля. По диаметру колеса крепятся лопасти, для это можно использовать любой материал, лишь бы он был прочным и не гнулся – железо, фанера, твердый пластик, эбонит и т.д. Крепить лучше всего болтовым соединением, чтобы была возможность заменить поврежденные в процесс работы лопасти. Лопасти располагаются на равном расстоянии друг от друга.

Изготавливается каркас, на котором закрепляется колесо. В местах крепления к каркасу необходимо предусмотреть установку подшипников в которые вставляется ось вращения колеса. На один конец оси монтируется большой шкив или большая по размеру звездочка. На ось генератора насаживается малый шкив или меньшая звездочка.

Перспективы гидроэнергетики

Без сомнения, энергообеспечение – одна из наиболее актуальных проблем человечества. Мировые запасы нефти и газа стремительно уменьшаются и недалёк тот день, когда они будут полностью исчерпаны. Это понимают все, и поэтому с каждым годом всё большее число специалистов изучает возможности их равноценной замены. Сегодня существует несколько направлений альтернативной энергетики: использование солнечной энергии и энергии ветра, биоэнергетика, геотермальная энергетика.

Каждое их этих направлений отличается определёнными достоинствами и недостатками. И поэтому необходимо определиться: какой альтернативный источник энергии лучше всего подходит для удовлетворения нужд человечества и в то же время наносит минимальный ущерб природе.

Потенциал мировой гидроэнергетики

Потенциал гидроэнергетики можно определить, суммировав все существующие на планете речные стоки. Расчёты показали, что мировой потенциал равен пятидесяти миллиардам киловатт в год. Но и эта весьма впечатляющая цифра составляет лишь четверть от количества осадков, ежегодно выпадающих во всём мире.

С учётом условий каждого конкретного региона и состояния мировых рек действительный потенциал водных ресурсов составляет от двух до трёх миллиардов киловатт. Эти цифры соответствуют годовой выработке энергии в 10 000 – 20 000 миллиардов киловатт в час (приведены данные ООН).

Чтобы осознать потенциал гидроэнергетики, выраженный этими цифрами, следует сопоставить полученные данные с показателями нефтяных теплоэлектростанций. Чтобы получить такое количество электроэнергии, станциям, работающим на нефти, требовалось бы около сорока миллионов баррелей нефти каждый день.

Вместе с тем, не теряет актуальность вопрос: какую долю этого природного богатства человечество может позволить себе использовать? Для ответа на этот вопрос необходимо представлять возможные последствия работы гидроэлектростанций для окружающей среды.

Основные достоинства и недостатки

Основные преимущества гидроэнергетики очевидны. Разумеется, главным преимуществом гидроресурсов является их возобновляемость: запас воды практически неисчерпаем. При этом гидроресурсы значительно опережают в развитии остальные виды возобновляемых источников энергии и способны обеспечивать энергией большие города и целые регионы.

Кроме того, пользоваться этим источником энергии можно достаточно просто, что подтверждается длительной историей гидроэнергетики. Например, генераторы гидроэлектростанций можно включать или выключать в зависимости от энергопотребления. Себестоимость строительства гидроэлектростанций является довольно низкой.

В то же время достаточно спорным является вопрос о влиянии гидроэнергетики на окружающую среду. С одной стороны, эксплуатация гидроэлектростанций не приводит к загрязнению природы вредными веществами.

Но в то же время образование водохранилищ требует затопления значительных территорий, зачастую плодородных, а это становится причиной негативных изменений в природе. Например, плотины часто перекрывают рыбам путь к нерестилищам, но в то жнее время благодаря этому обстоятельству значительно увеличивается количество рыбы в водохранилищах и развивается рыболовство.

Экологические аспекты использования гидроэнергетики

Вне всяких сомнений, гидроэнергетика в перспективе должна не оказывать негативное воздействие на окружающую среду или свести его к минимуму. При этом необходимо добиться максимального использования гидроресурсов.

Это понимают многие специалисты и поэтому проблема сохранения природной среды при активном гидротехническом строительстве актуальна как никогда. В настоящее время особенно важен точный прогноз возможных последствий строительства гидротехнических объектов.
Он должен дать ответ на многие вопросы, касающиеся возможности смягчения и преодоления нежелательных экологических ситуаций, которые могут возникнуть при строительстве. Кроме того, необходима сравнительная оценка экологической эффективности будущих гидроузлов. Правда, до реализации таких планов ещё далеко.

Сегодня разработка методов определения экологического энергопотенциала не производится. А это означает, что развитие гидроэнергетики пока приостановлено, поскольку отсутствие экологических экспертиз может нарушить энергетическую безопасность, которая и без того находится под угрозой.

Гирляндная ГЭС

Данного типа мини-гидроэлектростанции представляют собой трос, натянутый над руслом и закрепленный в опорном подшипнике. На нем в виде гирлянды навешены и жестко закреплены турбины небольшого размера и веса (гидровингроторы). Они состоят из двух полуцилиндров. За счет совмещения осей при опускании в воду в них создается крутящий момент. Это приводит к тому, что трос изгибается, натягивается и начинает вращаться. В данной ситуации трос можно сравнивать с валом, который служит для передачи мощности. Один из концов троса соединен с редуктором. На него и передается мощность от вращения троса и гидровингроторов.

Повысить мощность станции поможет наличие нескольких «гирлянд». Их можно соединить между собой. Даже это не сильно повышает КПД данной ГЭС. Это один из минусов подобного сооружения.

Еще один недостаток данного вида – создаваемая им опасность для окружающих. Подобного рода станции допустимо использовать только в безлюдных местах. Наличие предупредительных знаков обязательно.

Что такое мини ГЭС

Для начала определимся с принципом работы и типами небольших ГЭС. Течение реки или падающий водный поток вращает лопасти турбины и гидропровод, который соединен с электрогенератором ‑ последний и вырабатывает электроэнергию. Современные компактные ГЭС имеют автоматическое управление с возможностью мгновенного перехода на ручной режим в случае аварийной ситуации. Конструкции современных заводских ГЭС позволяют свести к минимуму производство строительных работ при монтаже оборудования.

Виды мини гидроэлектростанций

К мини электростанциям относятся генерирующие устройства мощностью от 1 до 3000 кВт. Принципиально ТЭС состоит из:

1. турбины (водозаборного устройства);
2. генерирующего блока; системы управления.
3. системы управления.

• Русловые. Такие станции строятся на небольших равнинных реках с водохранилищами.
• Горные. Стационарные станции, которые используют энергию быстрого горного течения.
• Промышленные. Станции, использующие перепады потока воды на промпредприятиях.
• Мобильные. Станции, использующие для водного потока армированные рукава.

Плотинные типы станций отличаются высокой мощностью, но строительство плотины обходится дорого, да и без разрешений в этом случае не обойтись. Связываться с чиновниками в нашей стране – не просто усложнить себе жизнь, а ставить под сомнение реализацию самых благих намерений, поэтому откажемся от этой затеи сразу.

Как работает мини ГЭС

Принципиальную схему работы ГЭС можно выбрать из нескольких вариантов:

• Гирляндная ГЭС. С одного берега реки на другой под водой проложен трос с нанизанными на него роторами. Течение вращает роторы и, соответственно, сам трос. Один конец троса в подшипнике, другой соединен с генератором.
• Пропеллер. Подводная конструкция, напоминающая ветряк с узкими лопастями и вертикальным ротором. Лопасть шириной всего 20 мм при большой скорости вращения обеспечит минимальное сопротивление. Лопасть такой ширины выбирается при скорости потока 0,8–2, 0 м в сек.
• Водяное колесо. Колесо с лопастями, частично погруженное в поток, и расположенное под прямым углом к поверхности воды. Поток воды давит на лопасти, вращая колесо.
• Ротор Дарье. Вертикальный ротор со сложными поверхностями лопастей. Жидкость, обтекая лопасти, создает разное давление, за счет чего происходит вращение.

На фото мини ГЭС на основе водяного колеса

Оценка потенциальной мощности мини ГЭС

До строительства мини гидроэлектростанции своими руками нужно определить мощность, на которую можно рассчитывать. Существует справочное соотношение между скоростью потока воды и мощностью, которая может сниматься с вала в кВт при диаметре винта 1 м.

Скорость потока определяется замером времени, за которое щепка, брошенная в воду, пройдет определенное расстояние. Сделав несложные расчеты, получим скорость потока в метрах в секунду. Если в данном случае скорость менее 1 м/сек, то строительство ГЭС будет экономически нецелесообразно.

Принцип работы

У гидравлических маслостанций есть и ряд других названий – «гидроприводы», «гидравлические станции» или «гидроагрегаты». Однако, как бы ни называлось такое устройство, его назначение всегда остается неизменным и заключается в преобразовании энергии за счет управления давлением и потоками рабочей жидкости. Типом преобразуемой энергии, как уже говорилось выше, определяется тип первичного двигателя, который является главной частью любой маслостанции.

Гидравлическая схема маслостанции

Если вкратце описать принцип, по которому работает гидравлическая станция, то он заключается в следующем.

1. Первичный двигатель такого устройства, потребляющий определенную энергию в соответствии со своим типом, передает вращающий момент со своего вала на вал гидравлического насоса.
2. Запущенный гидравлический насос через всасывающий фильтр начинает высасывать рабочую жидкость из накопительного бака.
3. Рабочая жидкость через трубопроводную систему поступает к соответствующим элементам системы. Они обеспечивают распределение жидкости, определяют ее давление, подают ее на гидравлический цилиндр или к гидромотору, которые и совершают основную работу.
4. Рабочая жидкость, которая уже прошла все требуемые участки системы, возвращается в накопительный бак, при этом предварительно пройдя через сливной фильтр.

Сферы и преимущества применения

Альтернативой использования маслостанций является применение установок компрессорного типа. Однако, если сопоставить установки данных типов, то у гидростанций для гидроприводов есть целый ряд преимуществ.

1. Благодаря более компактным размерам такого оборудования на его перевозку, монтаж и эксплуатацию приходится тратить значительно меньше денег.
2. При эксплуатации гидравлических маслостанций расходуется значительно меньше энергоресурсов, что также приводит к снижению финансовых затрат.
3. У маслостанций, по сравнению с компрессорным оборудованием, выше производительность и эффективность использования.
4. Широкая универсальность, которой отличается такое оборудование, позволяет подключать его к устройствам различного типа и мощности.
5. По сравнению с компрессорным оборудованием, маслостанции издают при работе значительно меньше шума.
6. За счет простоты использования и обслуживания для работы с таким оборудованием не надо привлекать специально подготовленный высококвалифицированный персонал.

Насосная станция в составе гидравлического трубогиба

Гидростанции, что естественно, используются для оснащения оборудования, на котором установлен гидропривод. Фактически же при помощи таких устройств можно привести в действие механизм почти любого назначения. Именно поэтому маслостанции гидравлического типа успешно используются во многих сферах. Технические возможности и универсальность таких устройств позволяют применять их для:

• гидравлических инструментов статического типа;
• электромонтажного оборудования;
• гидравлических инструментов динамического типа;
• оборудования железнодорожного и строительного назначения;
• помп и насосов шламового типа;
• оборудования для выполнения буровых работ;
• термопластавтоматов;
• прессового оборудования;
• устройств, при помощи которых поднимают и перемещают крупногабаритные и тяжелые грузы;
• оснащения испытательных стендов;
• технологического оборудования различного назначения.

Маслостанция токарного станка

Используя маслостанции гидравлического типа, осуществляют перекачку и очищение масла, а также производят смазку и охлаждение рабочих элементов оборудования различного назначения. Достаточно активно маслостанции применяются в тех случаях, когда необходимо выполнить испытания трубопроводных систем, гидравлической аппаратуры, гидроцилиндров и различного оборудования.

Если говорить о сферах деятельности, в которых маслостанции гидравлического типа используются наиболее активно, то сюда следует отнести:

• машиностроение;
• металлургию;
• энергетику;
• строительство;
• сельское хозяйство;
• транспортную сферу.

Принцип действия

Принцип действия микро — ГЭС аналогичен действию больших и малых гидроэлектростанций. Разница заключается лишь в мощности установленного оборудования и количества вырабатываемой электрической энергии.
Производство электрического тока осуществляет генератор, вращательное движение ротора которому, передается с гидравлической турбины.
Для того, чтобы турбина пришла во вращательное движение, создается напор воды, на водоеме, где установлена мини ГЭС. Это может быть напор, создаваемый естественным течением водных масс, либо создаваемый путем строительства плотины или иного технического сооружения. В определенных случаях, могут быть использованы оба способа создания напора одновременно.
Под действием напора, потоки воды устремляются в требуемом направлении, в створе их движения монтируется турбина, на лопасти которой и поступает энергия движущихся водных масс. Эта кинетическая энергия воды, преобразуется турбиной, во вращательное движение, которое посредством механической передачи (редуктор) и передается на вал генератора.

Источником энергии могут служить:

• реки различных размеров и интенсивности течения и ручьи,
• перепады высот на водосбросах водоемов различного назначения;
• технологические водотоки;
• перепады высот на трубопроводах различного назначения.

В зависимости от вида используемого оборудования и способа его установки, принцип работы гидроэлектростанции, может различаться. Это могут быть следующие варианты:

1. Принцип «водяного колеса» – при этом варианте, приемное колесо частично погружается в воду параллельное ее поверхности. Водные потоки, перемещаясь по естественному руслу, давят на лопасти, размещенные на колесе, и приводят его во вращение. Колесо, в свою очередь, посредством редуктора и прочих механических устройств, создает вращательное движение генератора.
2. Конструкция в виде гирлянды – с противоположных берегов монтируется трос, на котором установлены специальные роторы. Вода, перемещаясь вращает роторы, вращательное движение которых передается на трос. Трос вращаясь, передает вращательное движение на генератор, установленный на берегу.
3. С использованием ротора Дарье – в принцип работы турбины, заложено использование разности давлений на лопастях ротора.
4. С использованием принципа пропеллера – лопасти устройства помещены в воду и под воздействие воды приходят во вращательное движение, которое и передается на вал генератора, вырабатывающего электрический ток.

Преимущества использования микро — ГЭС:

• Отсутствует необходимость в изменении естественного ландшафта местности;
• На качество воду не оказывается стороннее воздействие, она сохраняет свои свойства;
• Не зависимость от воздействия природных явлений;
• Возможность использования в круглогодичном цикле работы;
• Нет необходимости в строительстве дорогостоящих гидротехнических сооружений.

Асинхронный генератор переменного тока

Асинхронные генераторы отличаются отсутствием электрической связи меж статором и ротором. Скорость регулируется направляющим аппаратом. Сообразно стабильность частоты падает, амплитуда напряжения также носит непостоянный характер. В результате можно отметить относительную простоту конструкции асинхронного генератора переменного тока, стабильность параметров не блещет хорошими показателями.

Отличительной чертой назовем способность недостатков асинхронных двигателей плавно перекочевывать, заражая новые устройства. Очевидно, для снабжения потребителей энергией регулируют частоту тока, мощность получается случайной. Хотя, если генератор находится в относительно постоянном окружении, сказанное не окажется большой проблемой.

Традиционные типы электростанций

Классификация комплексов по добыче энергии производится по самым разным признакам. Определяющим фактором выступают источники электроэнергии и принцип работы.

Различают следующие виды электростанций.

• Атомные – система базируется на реакции деления и синтеза. Последние существуют только в проекте.
• Газовые – используют природное топливо. Разделяются на электростанции, работающие на газе из месторождений и на рудничном, болотном газе.
• Жидкотопливные – дизельные или бензиновые. Такие станции носят локальный характер.
• Твердотопливные – угольные и торфяные.
• Гидроэлектростанции – используют работу водяного потока в самых разных вариантах. Сегодня существуют комплексы, использующие силу прилива и отлива, эксплуатирующие морские течения, русловые и прочие варианты.

Выделяют станции нетрадиционные: ветровые, гелиостанции.

Тепловые

Водяной пар является теплоносителем. В нагретом состоянии он сам становится источником энергии. По сути, это усовершенствованная паровая машина.

Различают ТЭЦ и ТЭС. ТЭС рассчитана на получение только электроэнергии. ТЭЦ, помимо генерирования тока, подает горячую воду. Принцип работы обоих комплексов почти одинаков.

В топку подают одновременно топливо и разогретый воздух в качестве окислителя. Чаще всего для теплоэлектростанций берут уголь. Однако торфяные могут работать и на брикетах. Топливо измельчено до состояния пыли, чтобы обеспечить максимально полное сгорание. Тепло от сгорания нагревает воду, превращая ее в пар. Последняя подается на паровую турбину. Водяной пар заставляет вращаться ротор генератора и преобразует энергию тепла в электричество.

Пар попадает к конденсатору, где вновь превращается в воду. Насосом воду перекачивают в реактивные нагреватели, затем в деаэратор. Здесь вода освобождается от газов, поскольку они провоцируют коррозию оборудования и вновь подается в котел.

Плюсы и минусы ТЭС

Простота конструкции
Дешевое топливо
Небольшая площадь
Низкая стоимость электроэнергии

Загрязнение атмосферы продуктами сгорания угля
Дорогое обслуживание
Невысокая производительность

Атомные

Опыты по использованию атомной энергии при работе генераторов проводились с 1948 года. Первая в мире АЭС была построена в СССР под руководством академика Курчатова.

Так же как тепловые, атомные делят на АЭС – вырабатывающие только электроэнергию, и АТЭЦ – подающие горячую воду. Схема работы не слишком отличается от тепловой станции, так как в конечном итоге двигающей силой здесь выступает пар. Но источником нагрева является ядерный реактор.

В результате протекания ядерной реакции в реакторе выделяется тепло. Оно передается теплоносителю первого контура. Жидкость уходит на теплообменник – парогенератор, где нагревает до кипения теплоноситель во втором контуре. Отсюда пар подается на турбину, при вращении которой и вырабатывается электрический ток. Затем пар охлаждается, в конденсаторе дегазируется и подается вновь во второй контур. Оба контуры замкнуты.

Плюсы и минусы АЭС

Независимость от источников топлива из-за небольшого объема материала, необходимого для работы
Отсутствуют вредные выбросы
Высокая производительность
Обеспечение электроэнергией крупных регионов

Нужен большой объем воды для охлаждения конденсаторов
Тяжелые и опасные последствия аварии

Сложность представляет и утилизация отработанного ядерного топлива.

Гидроэлектростанции

Такой комплекс использует в качестве движущей силы естественные природные явления: приливы и отливы, течение рек, силу падающего потока и прочее. Топливо для работы станций не нужно, что делает стоимость полученного таким образом электричества минимальной.

Создают или находят водяной поток нужной мощности – водопад, морское течение. Чаще перепад давлений создают искусственно, сооружая плотину. Сдерживаемая перед плотиной вода при выпуске вырывается с большим напором и приводит в действие лопасти гидротурбин. Они и превращают энергию движения воды в электричество.

Плюсы и минусы ГЭС

Стоимость тока в 2 раза ниже, чем на ТЭС
Турбины могут работать на любой мощности
Набирает мощность от 30 секунд до 2 минут
Течение реки — возобновляемый ресурс
Крупные станции сильно удалены от пользователей
Постройка плотины и эксплуатация ГЭС нормализуют климат

Высокая стоимость строительства
Вредное влияние на водохозяйственные объекты
Необходимость затопления больших территорий при стройке

Виды гидрогенераторов

Промышленные изделия различаются по параметрам производимой мощности. Для бытовых нужд используют маломощные гидросистемы (10-100 кВт) с вертикальным положением оси вращения ротора, работающие на основе небольших водотоков. Для нужд промышленности аппараты конструируют с горизонтальным вращательным движением оси.

Водяное колесо

В бытовых целях используют бесплотинный вид мини-ГЭС, который разделяют на 4 вида:

1. Водяное колесо;
2. Гирлянда ГЭС;
3. Ротор Дарье;
4. Пропеллер.

Водяное колесо представляет собой вращающийся элемент с лопастями, который устанавливают перпендикулярно движению воды, погружая наполовину или чуть меньше. Посредством водного давления на лопасти создается вращение колеса и преобразование энергии.

Конструкция гирлянды для генератора водяного представляет собой трос с зафиксированными роторами, перекинутый с одного на другой берег реки. Один конец троса прикреплен к генератору, а второй — закреплен подшипником. Погруженные в воду роторы начинают вращаться под напором потока, вызывая вращение троса. В результате генерируется электроэнергия.

Ротор Дарье

Ротор Дарье представляет собой вертикальный вращающийся элемент, который приводится в движение за счет изменения давлений на лопастях сложной конструкции. Именно обтекание потоком сложной поверхности и создает перепад давлений.

Водяной генератор-пропеллер напоминает собой «ветряк», оснащенный ротором, но установленный под водой. Ширина лопастей (2 см) имеет необходимые размеры для создания максимальной скорости вращения при минимальной нагрузке сопротивления. Однако размеры лопастей нужно подбирать в соответствии с течением водного потока, их показатели могут разниться.

Классификация гидроэлектростанций

Гидроэлектростанции классифицируются по нескольким признакам:

По принципу действия

Плотинные

Это самый распространенный тип ГЭС. Для их работы создается плотина, перекрывающая русло реки для создания напора. Плотинные гидроэлектростанции строятся как у равнинных рек, так и в местах сужения русел горных рек.

Приплотинные

Такие ГЭС строят при сильном водном напоре. Реку при этом полностью перегораживают с помощью плотины, а станцию располагают снизу за плотиной. Вода поступает к турбинам по напорным тоннелям.

Деривационные

Деривационные гидроэлектростанции строятся на руслах рек с большим уклоном по принципу отведения воды. Большой уклон не позволяет накапливать воду в нужных количествах, поэтому воду забирают из русла и искусственным путем подводят к самой станции по водоотводу с малым уклоном. В результате к гидростанции вода поступает с большой высоты. Именно разницей в уровнях жидкости обусловлен сильный напор станции.

Гидроаккумулирующие (ГАЭС)

В ГАЭС строятся два бассейна: нижний и верхний, сама станция располагается около нижнего бассейна. Во время возникновения избыточных электрических мощностей в системе электроснабжения агрегаты выполняют роль насосов, качая воду из нижнего бассейна наверх.

При необходимости воду пускают по трубам вниз, запуская турбины. Преимуществом ГАЭС является то, что они собирают электричество и используют его во время пиковых нагрузок.

По мощности АЭС делятся на:

малые (до 5 МВт);

средние (5-25 МВт);

мощные (больше 25 МВт).

По напору воды

Энергия воды преобразуется в электричество при помощи вращения лопастей. Так как турбины разного типа рассчитаны на разные нагрузки, то от напора воды зависят характеристики и материал используемых турбин.

Деление ГЭС по максимальному напору воды:

низконапорные (3-25 м);

средненапорные (25-60 м);

высоконапорные (больше 60 м).

Ротор Дарье

Мини-гидроэлектростанция для частного дома данного вида названа так в честь ее разработчика — Жоржа Дарье. Запатентована данная конструкция была еще в 1931 году. Представляет собой ротор, на котором находятся лопасти. Для каждой из лопастей в индивидуальном порядке подбираются нужные параметры. Ротор опускается под воду в вертикальном положении. Лопасти вращаются за счет перепада давления, возникающего под действием протекания по их поверхности воды. Этот процесс подобен подъемной силе, заставляющей самолеты взлетать.

Данный вид ГЭС имеет хороший показатель КПД. Втрое преимущество – направление потока не имеет значение.

Из недостатков данного вида электростанций можно выделить сложную конструкцию и непростой монтаж.