Мини ГЭС. Микрогидроэлектростанции

Малая гидроэлектростанция или малая ГЭС (МГЭС) - гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии и состоящая из гидроэнергетических установок с установленной мощностью от 1 до 3000 кВт.

Микро-гидроэлектростанция предназначена для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в электрическую для дальнейшей передачи сгенерированной электроэнергии в энергосистему. Под термином микро подразумевается, что данная гидроэлектростанция устанавливается на малых водных объектах - небольших речках или даже ручьях, технологических протоках или перепадах высот систем водоподготовки, а мощность гидроагрегата не превышает 10 кВт.

МГЭС разделяют на два класса: это микро-гидроэлектростанции (до 200 кВт) и мини-гидроэлектростанции (до 3000 кВт). Первые применяются в основном в домохозяйствах, и на небольших предприятиях, вторые - на более крупных объектах. Для владельца загородного дома или небольшого бизнеса, очевидно больший интерес представляют первые.

Исходя из принципа действия, микро-гидроэлектростанции разделяют на следующие типы:

Водяное колесо . Это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды и наполовину в неё погруженное. В процессе работы вода давит на лопасти и заставляет вращаться колесо.

С точки зрения простоты изготовления и получения максимального КПД с минимальными затратами, эта конструкция хорошо работает. Поэтому часто применяется и на практике.

Гирляндная мини-ГЭС . Представляет собой перекинутый с одного берега реки на другой трос с жестко закрепленными на нем роторами. Поток воды вращает роторы, а от них вращение передаётся на трос, один конец которого соединен с подшипником, а второй - с валом генератора.

Недостатки гирляндной ГЭС: большая материалоемкость, опасность для окружающих (длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД.

Ротор Дарье . Это вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета. Фактически, МГЭС данной конструкции идентичны одноименным ветрогенераторам, но располагаются в жидкостной среде.

Ротор Дарье сложен в изготовлении, в начале работы его нужно раскрутить. Но он привлекателен тем, что ось ротора расположена вертикально и отбор мощности можно производить над водой, без дополнительных передач. Такой ротор будет вращаться при любом изменении направления потока. Как и у его воздушного собрата, КПД ротора Дарье уступает КПД МГЭС пропеллерного типа.

Пропеллер . Это имеющий вертикальный ротор подводный «ветряк», который в отличие от воздушного, имеет лопасти минимальной ширины всего в 2 см. Такая ширина обеспечивает минимальное сопротивление и максимальную скорость вращения и выбиралась для наиболее часто встречающейся скорости потока - 0.8-2 метра в секунду.

Пропеллерные МГЭС , также как и колесные, просты в изготовлении и обладают сравнительно высоким КПД, их частое применение этим и обусловлено.

Классификация Мини ГЭС

Классификация по вырабатываемой мощности (области применения) .

Вырабатываемая микро ГЭС мощность определяется сочетанием двух факторов, первый это напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие вырабатывающий электроэнергию генератор, и второй фактор - расходом, т.е. объемом воды, проходящем, через турбину за 1 секунду. Расход является определяющим фактором при отнесении ГЭС к определенному типу.

По вырабатываемой мощности МГЭС подразделяются на:

Бытовые мощностью до 15 кВт: используются для обеспечения электроэнергией частных домовладений и ферм.
Коммерческие мощностью до 180 кВт: питают электроэнергией небольшие предприятия.
Промышленные мощностью свыше 180 кВт: генерируют электроэнергию на продажу, либо энергия передается на производство.

Классификация по конструкции

Классификация по месту установки

Высоконапорные - более 60 м;
Средненапорные - от 25 м;
Низконапорные - от 3 до 25 м.

Данная классификация подразумевает, что электростанция работает на разных частотах вращения, и для ее механической стабилизации принимается ряд мер, т.к. скорость потока зависит от напора.

Составные части Мини ГЭС

Электрогенерирующая установка малой ГЭС состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления. Часть элементов системы аналогичны для или . Основные элементы системы:

Гидротурбина с лопатками, соединённая валом с генератором
Генератор . Предназначен для выработки переменного тока. Присоединяется к валу турбины. Параметры генерируемого тока быть относительно нестабильны, однако ничего похожего на скачки мощности при ветряной генерации не происходит;
Блок управления гидротурбиной обеспечивает пуск и останов гидроагрегата, автоматическую синхронизацию генератора при подключении к энергосистеме, контроль режимов работы гидроагрегата, аварийную остановку.
Блок балластной нагрузки , предназначенный для рассеивания неиспользуемой потребителем на данный момент мощность, позволяет избежать выхода из строя электрогенератора и системы контроля и управления.
Контроллер заряда/ стабилизатор : предназначен для управления зарядом аккумуляторных батарей, контроля поворота лопастей и преобразования напряжения.
Банк АКБ : накопительная ёмкость, от размера которой зависит продолжительность функционирования в автономном режиме питаемого ею объекта.
Инвертор , во многих гидрогенерирующих системах применяются инверторные системы. При наличии банка АКБ и контроллера заряда, гидросистемы мало чем отличаются от других систем, применяющих ВИЭ.

Мини ГЭС для частного дома

Рост тарифов на электроэнергию и отсутствие достаточных мощностей, делают актуальными вопросы о применение бесплатной энергии возобновляемых источники в домашних хозяйствах. По сравнению с другими источниками ВИЭ, мини ГЭС представляют интерес, так как при равной мощности с ветряком и солнечной батареей они способны выдать за равный промежуток времени гораздо больше энергии. Естественное ограничение на их применение является отсутствие реки

Если возле вашего дома протекает небольшая река, ручей или имеют место перепады высот на озерных водосбросах, то значит у вас имеются все условия для установки мини ГЭС. Потраченные на её приобретение деньги быстро окупятся - вы будете в любое время года обеспечены дешёвой электроэнергией, независимо от погодных условий и иных внешних факторов.

Основным показателем, который указывает на эффективность использования МГЭС является скорость потока водоема. Если скорость меньше 1 м/с, то необходимо принять дополнительные меры по его разгону, например, сделать обводной канал переменного сечения или организовать искусственный перепад высот.

Преимущества и недостатки микрогидроэнергетики

К преимуществам мини гэс для дома можно отнести:

Экологическая безопасность (с оговорками для рыб-мальков) оборудования и отсутствие необходимости затопления больших площадей с колоссальным материальным ущербом;
Экологическая чистота получаемой энергии. Отсутствует влияние на свойства и качество воды. Водоемы можно использовать и для рыбохозяйственной деятельности, и как источники водоснабжения населения;
Низкую стоимость получаемой электроэнергии, которая в разы дешевле вырабатываемой на ТЭС;
Простоту и надёжность применяемого оборудования, и возможность его работы в автономном режиме (как в составе, так и вне сети электроснабжения). Вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению;
Полный ресурс работы станции - не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта);
неисчерпаемость используемых для выработки энергии ресурсов.

Основной недостаток микро-гэс это относительная опасность для обитателей водной фауны, т.к. вращающиеся лопатки турбин, особенно в скоростных потоках, могут представлять угрозу для рыб или мальков. Условным недостатком можно так же считать ограниченность применения технологии.

Сила водного потока – это возобновляемый природный ресурс, позволяющий получать практически бесплатное электричество. Подаренная природой энергия предоставит возможность сэкономить на коммунальных услугах и решить проблему с подзарядкой техники.

Если рядом с вашим домом протекает ручей или река, ими стоит воспользоваться. Они смогут обеспечить электроэнергией участок и дом. А уж если построена гидроэлектростанция своими руками, экономический эффект возрастает в разы.

В представленной статье детально описаны технологии изготовления частных гидротехнических сооружений. Мы рассказали о том, что потребуется для устройства системы и подключения ее к потребителям. У нас вы узнаете о всех вариантах миниатюрных поставщиков энергии, собранных из подручных материалов.

Гидроэлектростанции – это сооружения, способные преобразовать энергию движения воды в электричество. пока активно эксплуатируются только на Западе. На территории нашей страны эта перспективная отрасль лишь делает первые робкие шаги.

Галерея изображений

Гидроэлектростанции используют силу воды для получения электрической энергии. Самостоятельно изготовленные станции решают проблему удаленности от централизованных электросетей или помогают сэкономить на электричестве.

Преимущества и недостатки ГЭС

Гидроэлектростанции обладают следующими преимуществами перед другими видами альтернативных источников энергии:

Не зависят от погоды и времени суток (в отличие от ). Это позволяет вырабатывать большее количество энергии с предсказуемой скоростью.
Мощность источника (реки или ручья) можно регулировать. Для этого достаточно заузить русло плотиной либо обеспечить перепад высот воды.
Гидроустановки не издают никакого шума (в отличие от ).
Для многих типов станций небольшой мощности не требуется никаких разрешений на установку.

К минусам самодельных ГЭС относится невозможность работать в мороз. Кроме того, водная среда является агрессивной, поэтому детали станции должны быть водостойкими и прочными.

При проектировании мини-ГЭС для использования в качестве альтернативного источника энергии для собственного дома решающими должны быть следующие факторы:

Близость реки к дому. Устанавливать самодельную станцию в удалении от дома не стоит. Чем дальше установка, тем ниже ее эффективность, потому что часть энергии будет потеряна при передаче. Кроме того, так сложнее уберечь вашу ГЭС от кражи или порчи.
Достаточная скорость течения или возможность его увеличения. Мощность станции увеличивается в геометрической прогрессии при увеличении скорости воды.

Узнать скорость несложно. Бросьте кусочек пенопласта или теннисный шарик в воду и засеките время, за которое он проплывет определенную дистанцию. Затем разделите метры на секунды и вы узнаете скорость. Минимально достаточная скорость воды для самодельной ГЭС - 1 м/с.

Если скорость течения вашей реки или ручья ниже этого значения, то ее усилит маленькая плотина либо сужающаяся труба. Но эти варианты могут вызвать дополнительные трудности. Строительство плотины требует разрешения от властей, а также согласия соседей.

Мини-гидроэлектростанция своими руками

Конструкция ГЭС достаточно сложная, поэтому самостоятельно удастся построить лишь небольшую станцию, которая позволит сэкономить на электричестве или обеспечит энергией скромное хозяйство. Ниже приведены два примера реализации самодельной ГЭС.

Как сделать мини-ГЭС из велосипеда

Этот вариант ГЭС идеален для велопоходов. Он компактный и легкий, но сможет обеспечить энергией небольшой лагерь, разбитый на берегу ручья или реки. Полученного электричества хватит на вечернее освещение и зарядку мобильных устройств.

Для монтажа станции понадобится:

Переднее колесо от велосипеда.
Велогенератор, который используется для питания велосипедных фонарей.
Самодельные лопасти. Их вырезают заранее из листового алюминия. Ширина лопастей должна быть от двух до четырех сантиметров, а длина - от втулки колеса до его обода. Лопастей может быть любое количество, располагать их нужно на одинаковом расстоянии друг от друга.

Чтобы запустить подобную станцию, достаточно погрузить колесо в воду. Глубина погружения определяется экспериментально, примерно от трети до половины колеса.

Для постройки более мощной станции для постоянного использования понадобятся более прочные материалы. Лучше всего подойдут металлические и пластиковые элементы, которые легче защитить от воздействия водной среды. Но годятся и деревянные детали, если пропитать их специальным раствором и покрасить водостойкой краской.

Для станции необходимы следующие элементы:

Стальной барабан от кабеля (2,2 метра в диаметре). Из него изготавливается ротор-колесо. Для этого барабан разрезается на части и сваривается заново на расстоянии в 30 сантиметров. Из остатков барабана делают лопасти (18 штук). Их приваривают к радиусу под углом в 45 градусов. Для поддержки всей конструкции из уголков или труб изготавливают раму. Колесо вращается на подшипниках.
На колесо устанавливается цепной редуктор (коэффициент передачи должен равняться четырем). Чтобы легче свести оси привода и генератора, а также снизить вибрацию, вращение передается через кардан от старого автомобиля.
Для генератора подходит асинхронный двигатель. К нему следует добавить еще один шестеренчатый редуктор с коэффициентом около 40. Тогда для трехфазного генератора с 3000 оборотами в секунду при общем коэффициенте редуцирования 160 количество оборотов снизится до 20 оборотов в минуту.
Поместите всю электрику в водонепроницаемую емкость.

Описанные исходные материалы легко найти на свалке или у знакомых. За резку стального барабана болгаркой и за сварку можно заплатить специалистам (или же сделать все самостоятельно). В итоге ГЭС мощностью до 5 кВт обойдется в незначительную сумму.

Получить электричество из воды не так и сложно. Труднее выстроить автономную систему электроснабжения на основе самодельной ГЭС, поддерживать станцию в рабочем состоянии и обеспечивать безопасность людей и животных вокруг нее.

Меня всегда привлекало получение бесплатной энергии из природных ресурсов. И как-то у меня зародилась идея сделать простую мини электростанцию, которая бы вырабатывала электричество из проходящего мимо водяного ручья.

Все началось с идеи использовать барабан старой стиральной машины в качестве водяного колеса – миниатюрной самодельной гидроэлектростанции.

К барабану с помощью металлических уголков были прикреплены прямые лопасти из влагостойкой фанеры.

Крутящий момент с водяного колеса передается за счет ремня на велосипедную динамо-машину (генератор постоянного тока). Выработанная электроэнергия поступает на светодиод. Достаточно рукой слегка прокрутить колесо, и светодиод начнет мигать.

Основа всей конструкции – велосипедная рама.

Два подшипника позволяют водяному колесу свободно крутится.

Первые испытания на маленькой речке показали, что водяное колесо на раме установлено слишком высоко, что не дает потоку воды его нормально раскручивать.
После небольших изменений в конструкции рамы колесо стало располагаться ниже и скорость вращения резко возросла. Как результат, начала вращаться динамо-машина и светодиод на 4,5 В загорелся.

Вот так из старого хлама получилась самодельная гидроэлектростанция.
Далее мини ГЭС в сборе была установлена на небольшой ручей.

Вырабатывает она всего несколько вольт, но их достаточно для свечения светодиода.

Это был неплохой эксперимент для начала.

Дальнейшее усовершенствование в проекте

Дальнейшее усовершенствование водяного колеса должны затронуть:

Построить мини-дамбу для увеличения напора воды. При этом полностью речку не планируется перегораживать, чтобы рыба могла уходить во втором потоке.
Под дамбой установить трубу, по которой вода будет поступать на самодельную турбину. В трубе устроить кожух из транспортерной резиновой ленты. Перекрыв поток воды через трубу можно провести обслуживание механизмов.
По расчетам, турбина будет выдавать мощность примерно в два раза больше, чем водяное колесо. Кроме того, замена водяного колеса на турбину должна снять проблему замерзания в зимнее время.
Поток воды будет раскручивать турбину, передавая крутящий момент генератору. Держаться турбина будет на двух подшипниках, изготовленных из массива дерева. При регулярном смазывании они прослужат долго. Упорная шайба будет удерживать механизм от бокового смещения.
Изготовить металлические лопатки, рассчитав угол, под которым их нужно загнуть (от этого параметра зависит мощность гидроэлектростанции). Лопатки прикрутить нужно будет с использованием резиновых прокладок, чтобы избежать их отрыва.
Для передачи крутящего момента использовать собранный из труб вал.
Установить генератор. На генератор поставить шкив меньшего размера, чем установленный на валу. Это позволит повысить обороты, что необходимо для эффективной работы генератора.

Генератор должен выдавать порядка 600 Вт электроэнергии. Это даст возможность подключать бытовую технику. Если следующий этап эксперимента завершится удачно, можно будет подумать о дальнейшей модернизации с тем, чтобы вырабатывать несколько киловатт электроэнергии.

В связи с постоянным удорожанием углеводных энергоносителей, специалисты обращают все большее внимание на преимущества, которые дает использование электроэнергии, полученной более экономным способом. Одним из самых экономных и экологически чистых способов получения электроэнергии является гидроэлектростанция для дома, затраты на которую сводятся к первичному строительству и техническому обслуживанию оборудования. Но не каждая местность имеет природные возможности для строительства подобных сооружений, для которых необходим мощный водный поток и большой перепад высот, создаваемых плотиной, в этом случае на помощь энергетикам приходят мини ГЭС.

Принцип работы и мини ГЭС

Принцип работы этого оборудования достаточно прост, что добавляет ему надежности. Водный поток, попадая на лопасти турбины, вращает гидропривод, сопряженный с электрогенератором, который и обеспечивает выработку электроэнергии под управлением контролирующей системы.
Современные мини ГЭС оборудованы системой управления, дающей возможность осуществлять работу в автоматическом режиме с мгновенным переходом на ручное управление в случае возникновения аварийной ситуации. Многоуровневая система защиты позволяет избежать перегрузок оборудования при изменении внешних условий. Конструкция станций позволяет минимизировать проведение строительных работ во время установки необходимого оборудования.

Разновидности мини ГЭС

Мини гидроэлектростанция – это оборудование мощностью от 1 до 3000 кВт, которое включает в себя водозаборное устройство (турбину), генерирующий энергоблок и систему управления оборудованием.
В зависимости от используемых водных ресурсов мини ГЭС делятся на несколько категорий:

русловые станции, использующие энергию небольших рек с организованными водохранилищами. Применяются в основном на равнинной местности;
стационарные станции, использующие энергию быстрого течения при эксплуатации горных рек;
станции, использующие перепады водного потока на промышленных предприятиях;
мобильные станции, использующие для организации потока армированные рукава.

Согласно ожидаемому напору водного потока проектируется соответствие гидроагрегата и его турбины мощности электрогенерирующего блока для обеспечения необходимой частоты вращения генератора и облегчения создания необходимой частоты тока.

Для различных условий работы мини ГЭС разработаны соответствующие конструкции турбин:

при большом напоре водяного потока более 60 м применяют радиально-осевые и ковшовые турбины;
при средней интенсивности потока 25 - 60 м хорошо зарекомендовали себя турбины поворотно-лопастной и радиально-осевой конструкции;
на низконапорных потоках выгодней использовать поворотно-лопастные и пропеллерные конструкции, помещенные в железобетонные камеры.

Видео домашней гидроэлектростанции сделанной своими руками

Особенности подключения мини ГЭС

Устройство этого оборудования позволяет подключать станции непосредственно к сети электроснабжения, в этом случае используется синхронный генератор. Для создания локальной сети используют асинхронный агрегат, который комплектуется блоком балластной нагрузки, необходимой для рассеивания избыточной мощности во избежание выхода из строя систем подачи электроэнергии и скачкообразных изменений основных параметров сети.

Преимущества и недостатки мини ГЭС

К преимуществам работы подобных систем можно отнести:

экологическую безопасность оборудования и отсутствие необходимости затопления больших площадей;
низкую стоимость получаемой электроэнергии, которая в разы дешевле вырабатываемой на ТЭС;
простоту и надежность применяемого оборудования и возможность его работы в автономном режиме;
неисчерпаемость используемого природного ресурса

К недостаткам относятся:

перебои в электроснабжении определенных регионов при выходе оборудования из строя, с случае использования мини ГЭС, как локального источника. Это компенсируется наличием аварийного источника энергоснабжения, подключаемого автоматически;
слабая производственная и ремонтная база этой отрасли энергообеспечения в нашей стране.