Бесплотинные ГЭС нового поколения (БГЭС).

Новые интересные решения гидропривода предлагают изобретатели. Один из них – житель Красноярска Николай Ленёв (патент № 2166664 от 10.05.01 г.).

В изобретении отмечается оригинальный, ранее не применявшийся ни в одной из существующих конструкций, способ использования энергии как водного потока любого вида (рек, ручьёв, приливов, морской волны и т. д.), так и движения воздушных масс. При этом используется естественный поток, без предварительного преобразования (строительства дамб, каналов, напорных труб).

Данный способ отъёма мощности водного потока является наиболее выгодным и с экологической точки зрения, так как совершенно не нарушает естественного русла реки, занимая от 1 до 10 % площади, тем самым, не препятствуя свободному перемещению речной фауны и флоры в отличие от существующих ГЭС.

Рис. 2.6. Гидропривод Ленёва

 

«Для того, чтобы понять, ощутить, как и какие силы действуют в бесплотинной ГЭС (БГЭС – Бесконечной Гравитационной Энергетической Системы), – пишет автор, – достаточно провести эксперимент в собственной квартире: наберите воды в свою ванну, отмерьте 1 м и поставьте метки, для начала просто проведите ладонью по этому отрезку за 1 секунду. Попробовали? Теперь возьмите на кухне разделочную доску. Осторожно проведите потихоньку несколько раз, стараясь приблизиться к скорости 1 м/с. Почувствовали, какое усилие? Но это ещё не всё! Поверните свою доску на 45° и попробуйте вновь, стараясь удержать руку параллельно длине ванны, по-прежнему стремясь к скорости 1м/с. Впечатляет!?»

Рис. 2.7. Фото работающей установки на р. Базаихе перед погрузкой

По заключению проф. Л. Н. Бритвина, такая установка создаёт перед собой небольшой подпор сантиметров 10 при скорости потока 1 м/с, а за собой – разряжение, и потому на лопасть вода, падая с этого подпора, воздействует уже с иной скоростью, чем в окружающем потоке. А при наличии ещё и разряжения на выходе установки поток под действием центробежной силы и гравитационной постоянной увеличивает свою скорость. В чём не трудно убедиться на представленных фотографиях по выходящему потоку и буруну, который он создаёт. Два ряда лопастей движутся навстречу друг другу – следовательно, происходит закручивание потока, причём с образованием двух встречных вихрей. Вода «кипит» внутри, даже цвет немного меняется. Явление кавитации заставляет производить полезную работу, не разрушая из-за малых скоростей и давлений тело установки.

Конструкция представляет собой систему (два ряда) лопастей прямоугольной формы (плоская пластинка), оси которых делят их на две неравные части, большая из которых всегда (за счёт действия потока) находится за осью дальше по потоку. Тем самым достигается минимальное её вращение вокруг своей оси и, следовательно, наименьшие турбулентные завихрения. Оси лопастей, своей верхней и нижней частями, в свою очередь, закреплены на верхней и нижней, замкнутых в кольца цепях (либо на любом другом гибком элементе).

Рис. 2.8. Свободнопоточная мини-БГЭС Н. Ленёва:
1 – пластина; 2 – приводной ремень - цепь Галя; 3 – «звёздочка»;
4 – корпусные конструкции

Цепи передают усилие через звёздочки (рабочие колёса) на два вертикальных вала, с которых механическая энергия движущейся среды (воды, воздуха и т. д.) через гибкую муфту и промежуточный вал передаётся на валы электрогенераторов. Валы установки через подшипники скольжения (качения) жёстко закреплены на каркасе установки, имеющем закрытые на 2/3 боковые и глухую нижнюю стенки, что не препятствует поступлению дополнительной воды из окружающего потока через верх и 1/3 боковых стенок установки.

В одном каркасе рационально размещать минимум три установки. Положение лопастей по отношению к основному потоку регулируется неподвижными направляющими для цепи и подвижными для большей из сторон лопасти. Меняя расстояние между подвижной направляющей для лопасти и неподвижной для цепи, мы задаём необходимый угол поворота между лопастью и направлением основного потока от 0° до 45°, добиваясь тем самым оптимального режима работы установки, либо останавливая её полностью. Таким образом, поток воздействует на лопасть фактически перпендикулярно, под 90° (рис. 8). Один из валов установки имеет натяжное устройство, регулирующее натяжение цепей. Лопасти должны иметь свободу вращения на своих осях, а оси так же свободно вращаться в креплениях к цепям. Между лопастью и местом крепления к цепи на осях должны устанавливаться ролики, которые и будут катиться по неподвижным направляющим, удерживая тем самым цепь постоянно в перпендикулярном положении относительно направления основного потока.

Возможны любые другие комбинации данных размеров, например, для ручья – уменьшенная глубина, но за счёт количества блоков вдоль длины ручья набираем любую необходимую мощность. Под принятые характеристики изготавливается соответствующий корпус, желательно из трубы, для получения дополнительной плавучести. Каркас делается разборным, что позволит собирать его на месте эксплуатации без привлечения грузоподъёмных механизмов.

Некоторые технические и иные характеристики предлагаемой установки приведены в таблице 2.3.

 

Таблица 2.2 - технические и иные характеристики предлагаемой установки.

• Размеры рабочего колеса («звёздочка») • Диаметр вала • Объём воды, поступающий на установку • Количество блоков лопастей • Количество лопастей в блоке • Размеры лопастей • Площадь, пересекаемая потоком • Мощность • Стоимость выработанной за месяц энергии (тариф региона с 1 января 2009 г.) • Стоимость затрат на изготовление установки в кустарных условиях • Материалоёмкость • Сроки изготовления (серийное производство) • Сроки монтажа

500–350 мм 25–50 мм 1,200 × 0,700 × 1,250 = 1 м3 3 17 150 мм × 500 мм 3,375 м2 20 кВт 20 кВт × 24 часа × 30 дней × 2,06 руб. = 29660 руб./мес. 100 у.е. до 2–3 кг/кВт (в зависимости от применяемого материала) 1–2 ч 1–1,5 ч

 

Количество блоков не ограничено и зависит от необходимой мощности и размеров реки. Данную установку следует изготавливать из любых подручных материалов: дерево, пластмасса, алюминий, железо, титан – всё что угодно, что «по карману». От этого будут зависеть только сроки эксплуатации установки. На выработку электроэнергии это никак не повлияет. Следует обратить внимание, число оборотов у неё довольно низкое (45/60), да и работает она постоянно в воде, т. е. износ материалов будет минимальным.

 

Рукавные микро-ГЭС.

В 70-е годы прошлого века, благодаря изобретению Б. С. Блинова, даже предприятия сельскохозяйственного машиностроения серийно выпускали целый ряд рукавных микро-ГЭС от 1 до 100 кВт. Наряду с микро-ГЭС гирляндного типа Б. С. Блинов предложил рукавные конструкции. Если есть в наличии ручей с дебетом воды не менее 50 л/с, то мини-ГЭС можно получить, прокладывая трубу-шланг (рукав) с перепадом высот не менее 4,0–5,0 м. В качестве генераторов могут быть использованы обычные трёхфазные асинхронные электродвигатели, с реактивным самовозбуждением от параллельно подключённых к обмоткам конденсаторов, из расчёта 7 мкф на 100 Вт мощности одной обмотки. Результат замечательный, т. к. форма напряжения и тока получалась даже лучше, чем при использовании синхронных генераторов.

Если вход в «рукав» захватывает самую быструю часть течения реки, и вода по сужающемуся каналу подводится к турбинам, то при этом скорость потока, подаваемого на лопатки турбины, возрастает и оказывается гораздо большей, чем на напорной электростанции с её высокой плотиной, ведь кинетическая энергия потока является квадратичной функцией от его скорости. Если скорость потока в 2 раза больше, то количество вырабатываемой энергии увеличивается в 4 раза больше при одном и том же расходе воды.

Рис. 2.10. Схема рукавной микро-ГЭС:
1 – ручей; 2 – уровень запруды; 3 – плотина; 4 – труборукав; 5 – гидротурбина; 6 – электрогенератор

Рис. 2.11. Рукавная мини-ГЭС промышленного производства

Рис.2.12. Рукавная микро-ГЭС

 

Для успешной и экономичной работы рукавных ГЭС достаточно иметь ручей (или иной водоток) с перепадом уровней в 1–2 м и расходом воды от 90 л в секунду. Они особенно эффективны в условиях холмистого рельефа. В комплект поставки производимых промышленностью вариантов входят энергоблок, устройство автоматического регулирования, устройство возбуждения и водозаборный агрегат. Монтаж станции весьма прост. Например, мини-ГЭС 7.5ПР мощностью 7,5 кВт можно смонтировать практически вручную: масса брутто (в упаковке) энергоблока не превышает 250 кг.

Погружные гидроагрегаты.

Погружные гидроагрегаты могут быть использованы для получения электрической энергии в случае, когда сооружение плотины для создания необходимого для работы турбины напора нецелесообразно - либо по причине затопления значительных земельных площадей и расположенных на них сооружений, либо в случае, когда водотоки служат для прохода ценных пород рыб на нерест.

Практически для установки погружных агрегатов можно использовать любые водотоки, имеющие достаточные ширину, глубину и скорость течения воды порядка 3 метров в секунду.

Рис.2.15 Схема установки погружного гидроагрегата.

Чем выше скорость течения воды, тем большую мощность можно получить при одних и тех же габаритах агрегата. Увеличение скорости течения воды, проходящей через турбину может быть достигнуто путём отделения части речного створа с помощью каменно-набросных или ряжевых стенок и создания канала, выполненного с постепенным уменьшением проходного сечения к месту установки гидроагрегата. В качестве одной из стенок может быть использован берег реки при наличии условий для установки агрегата. Кроме того конструкция погружных гидроагрегатов предусматривает наличие устройств, позволяющих увеличивать скорость течения воды непосредственно перед поступлением её на лопасти рабочего колеса турбины. При отсутствии возможности увеличения скорости течения и при наличии значительных расходов воды в реке увеличение мощности может быть достигнуто за счёт повышения пропускной способности агрегата путём увеличения его ширины. На погружные гидроагрегаты действуют значительные гидравлические и гидродинамические силы, в связи с чем требуется надёжное фиксирование и закрепление их в месте установки. Погружные гидроагрегаты могут эксплуатироваться круглогодично, в том числе на реках с неполным промерзанием русла. В этом случае агрегат должен быть установлен под нижнюю кромку льда. В случае полного промерзания русла реки, использование погружных гидроагрегатов в короткий летний период также представляется целесообразным с целью экономии органического топлива.
Погружные гидроагрегаты планируется выпускать в двух исполнениях - переносные, мощностью от 1 до 5 кВт и стационарные мощностью от 10 кВт и выше. Переносные погружные гидроагрегаты предназначены для выработки постоянного электрического тока напряжением 12 и 28 вольт в зависимости от параметров водотока и используемого типа генератора.

Рис. 2.16 Конструкция агрегата: 1- корпус; 2- колесо рабочее; 3-аппарат направляющий;4 - генератор автомобильный; 5- редуктор; 6- затвор-обтекатель повторный; 7- Диффузор съемный; 8- рама с защитной сеткой (съемная); 9- Диффузор дополнительный (из досок). 10 -Кабель силовой

 

В состав агрегата входят: турбина, синхронный генератор с выпрямительным устройством, аккумулятор и щит распределительный. Переносные погружные гидроагрегаты могут найти широкое применение там, где существует необходимость в быстром получении электроэнергии с минимальными временными, финансовыми и физическими затратами. Это могут быть геологоразведочные партии, службы МЧС, другие организации, а также частные лица. Стационарные погружные гидроагрегаты предназначены для выработки переменного тока напряжением 220 и 380 вольт, частотой 50 герц.