Мини-ГЭС, работающие по принципу водоворота, – гравитационная мини-ГЭС.

Создавая этот необычный проект, его автор – австрийский изобретатель Франц Цотлётерер (Franz Zotlöterer) из местечка Оберграфендорф (Obergrafendorf) – думал в первую очередь об экосистемах (фауне, аэрации воды и т. п.), которые страдают от гидравлических электростанций. Даже мини-ГЭС на маленьких речках и каналах небезупречны. Кроме того, изобретатель парадоксальным образом нашёл способ повысить КПД таких сооружений. На первый взгляд, непросто совместить эффективность ГЭС с их экологической безупречностью. Автор предложил часть потока, вблизи берега, отводить в специальный канал, направляющий воду к «плотине». Последняя весьма необычна на вид. Это бетонный цилиндр, к которому вода подходит по касательной, обрушиваясь в центре в глубину. Так в центре цилиндра образуется водоворот, который закручивает турбину.

Рис.2.1 Водоворотная микро-ГЭС

Рис. 2.2 Водоворотная микро-ГЭС

Автор новации отмечает сравнительную простоту и дешевизну строительства такой ГЭС. Однако, несмотря на миниатюрность, станция наравне с крупными участвует в энергоснабжении. Турбина примитивна по форме и устройству, однако имеет неплохой КПД. Цотлётерер обнаружил у такой схемы мини-ГЭС следующие преимущества.

КПД преобразования энергии падающей воды в ток достиг 73 % при использовании не самого совершенного электрического генератора. За год непрерывной работы эта гравитационно-водоворотная станция, установленная на ручье, выработала свыше 50 кВт·ч электричества, проданных изобретателем станции энергокомпании «EnergieVersorger Niederösterreichs», при рабочем перепаде высот воды примерно в 1,3 м и расходе примерно в 1 м³/с. Максимальная электрическая мощность этой мини-станции достигает 9,5 кВт. В среднем этого достаточно для питания 10–15 коттеджей (с учётом неравномерности уровня потребления). Изобретатель уверен, что такая схема наиболее оптимальна для возведения ГЭС мощностью до 150 кВт/ч. Причём конструкция начинает превосходно работать (показывает хороший КПД турбины) уже при перепаде высот всего в 0,7 м.

Скорость вращения турбины оказалась довольно низкой, так что для рыбы, попавшей в водоворот, лопасти колеса опасности не представляют. Тем более что лопасти эти не рассекают воду, а поворачиваются синхронно с водоворотом. Водоворот перемешивает загрязнители, одновременно хорошо аэрируя воду, что способствует интенсивной работе микроорганизмов, очищающих её естественным образом. Это свойство станции восстанавливает процессы, идущие в обычной реке, которой присущи многочисленные повороты. В больших спрямлённых руслах каналов и водохранилищ почти ламинарное течение приводит к исчезновению аэрации воды и, как следствие, потере её способности к самоочищению. Водоворот способствует терморегуляции в водоёме. Увеличенная площадь контакта воды с воздухом приводит к её охлаждению за счёт испарения жарким летом. Зимой же ГЭС продолжает работать подо льдом. Наиболее плотная вода (с температурой 4 ºС) тяготеет к центру водоворота. По краям цилиндра образуется ледяная корка, которая выступает в роли утеплителя, не дающего слишком сильно охладиться центру.

По информации автора, эта станция обошлась примерно в 75 тыс. долл. США, что дешевле, чем аналогичная по мощности мини-ГЭС, построенная по классическому плотинному образцу. Автор отмечает лучшую ремонтопригодность, значительно меньшие сложность и периодичность обслуживания, более простую конструкцию и прочие технологические преимущества этой станции.

Мини-ГЭС на тросах.

Гидропривод может быть организован и без перепада уровня воды. В этом случае турбину помещают просто в водный поток. В информационных источниках рассмотрена конструкция простой тросовой (или гирляндной тросовой) мини-ГЭС с турбинно-тросовым гидроприводом, который вращается от потока течения реки. На рис. 3 упрощённо показана конструкция такой мини-ГЭС (автор Б. С. Блинов, 70-е годы прошлого века). В качестве гидроколёс (роторов), в тросовом гидроприводе мини-ГЭС можно использовать несколько «крыльчаток» (пропеллеров), изготовленных из тонкого металлического листа, диаметром около полуметра, по типу детской игрушки – пропеллера из квадратного листа бумаги. В качестве гибкого вала целесообразно использовать обычный стальной трос диаметром 10–15 мм.

Ориентировочные расчёты показывают, что от такой тросовой ГЭС, можно получить с одного гидроколеса до 1,5–2,0 кВт, при течении реки около 2,5 м/с.

Рис.2.3а.Вариант тросовой мини-ГЭС

Рис 2.3. Вариант тросовой мини-ГЭС:
1 – подшипник; 2 – опора; 3 – металлический трос; 4 – гидроколесо (турбина); 5 – электрогенератор; 6 – уровень верхнего течения реки; 7 – русло реки

Если опоры 2 с подшипниками 1 и электрогенератором 5 установить на дно реки, и подшипники с генератором поднять выше её уровня, а всё сооружение разместить по оси течения, то результат будет тот же. Такую схему целесообразно применять для очень узких речек, но с глубиной более 0,5 м. Роторы гирляндной ГЭС, как правило, располагаются в ядре потока (на 0,2 м глубины от поверхности летом и 0,5 м глубины от поверхности льда зимой). Глубина реки в месте установки гирляндной ГЭС не превышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м вполне возможно использовать роторы, расположенные в два ряда. Наиболее простым вариантом является ротор Савониуса торцевой конструкции. Для передачи крутящего момента применяются промежуточные трансмиссии.

Рис.2.4.Ротор Савониуса торцевой конструкции.

Рис. 2.4. Тросовая мини-ГЭС с якорным креплением

Другой вариант тросового гидропривода (рис. 4) содержит стальной трос 1, заякоренный на дне реки; жёстко закреплённую на нём гидротурбину 3, и механическую опору 4 для приёма вращающегося троса 1 на берегу. Механический передаточный узел содержит узел вращения 14 троса 1, совмещённый редуктор 7, 8, и вал вращения 13. Приведённый вариант установки фактически служит вихревым гидротеплогенератором, состоящим из ёмкости с водою 7 и водяного кавитатора 9, выполненного например, в виде кавитатора Кладова, представляющего собою два кавитационных диска вращающихся в противоположные стороны.

Отметим также, что такая тросовая гидросиловая установка может работать в реке даже зимой, поскольку вращающийся трос не обрастает льдом. Для получения электроэнергии таким устройством мини-ГЭС можно снять с вращающегося троса момент вращения и направить его на вращение, к примеру, группы электрических генераторов от выброшенных авто, тракторов и прочей электротехники.

Тросовые мини-ГЭС в промышленном варианте нашли применении в США. Калифорнийская компания «Bourne Energy» (по материалам «Gizmag», информация от 12.02.2008 г.) разработала серию генераторов, которые могут преобразить малую гидроэнергетику.

Аппараты «RiverStar», «TidalStar» и «OceanStar» призваны стать основой сравнительно недорогих и легко масштабируемых гидроэлектростанций, работающих на реках («RiverStar»), в проливах («TidalStar») и в открытом море («OceanStar»). Эти установки обладают рядом любопытных особенностей. «RiverStar» (рис. 5) представляет собой капсулированный модуль с поплавком для удержания ротора на заданной глубине, плавником-стабилизатором, медленно вращающейся крыльчаткой (не наносящей повреждений рыбам), генератором и преобразователем напряжения. Несколько таких капсул, по замыслу «Bourne Energy», могут быть погружены в речной поток для создания мини-ГЭС. Стоимость выпускаемых установок приведена в таблице 1.

Таблица 2.1 – стоимость установок.

Рис. 2.5. Гирлянда тросовых мини-ГЭС

Модули «RiverStar» не требуют для установки каких-либо работ на дне реки, якорей и плотин. Такая цепь держится генераторов на паре натянутых поперёк реки стальных тросов (идущих под водой). Вместе с этими тягами на берег идут кабели, по которым поступает ток. Мощность одной такой капсулы составляет 50 кВт (при скорости течения в 7,4 км/ч). 20 блоков «RiverStar» могут обеспечить электричеством 1 тыс. близлежащих домов.

Для свободнопоточных роторов гирляндных гидростанций эффективнее всего схема простого двухлопастного пропеллера. Ниже представлены мощности гидротурбин, вырабатываемые двухлопастным ротором, с омываемой площадью 1,0 м², при КПД = 0,5 и при течении воды с различной скоростью.

Таблица 2.2 - Вырабатываемая мощность
двухлопастным ротором гирляндной гидростанции в водном потоке

Как видно из представленной таблицы, перспективы использования свободнопоточных, пропеллерных роторов, в качестве гидротурбин весьма заманчивы.