Руководство по постройке миниГЭС

конь44 21-02-2012 20:02. Публикую примитивное руководство по постройке мини ГЭС. которое ранее предназначалось для иной цели.Про мини ГЭС. По видимому, к перечисленным выше, следует добавить ещё энергию прибрежных морских течений.

Не знаю, кому либо пригодится или нет, но наблюдая за сообщениями, я предположил, что далеко не все кто берётся за тему, в достаточной степени владеют необходимыми теоретическими знаниями. Пример тому построенная в Таджикистане миниГЭС (Да будет свет!). Вложено немало труда и ресурсов, а энергии получают одну треть от возможного. Или вообще пример с поршневой ГЭС. Потому решил, в самой примитивной форме, изложить азы гидроэнергетики. Энергия вырабатываемая ГЭС, есть результат использования энергии водяного потока. В зависимости от местности, можно использовать два способа. Энергию скорости перемещения воды в реке, и энергию перепада высоты. Но в любом случае энергия, получаемая ГЭС, это энергия ОТНЯТАЯ от водяного потока. Потому, чем медленнее и спокойнее будет выходить (выходить, а не входить!) вода из агрегата, тем бОльшая часть энергии будет использована. И вот тут разница в использовании. Если использовать только скорость течения воды в реке, или в море, то невозможно отнять от потока больше половины энергии. Ибо если отнять всю энергию, от какой либо порции воды, то это значит остановить эту порцию, а остановив её, заодно перекроется доступ новым движущимся порциям. А если не останавливать скорость, то и не отнимать у потока энергию. Потому золотая середина это 50% и не больше. (Согласно расчетам, в идеале 56%) Таким способом удобно строить на течениях, желательно на быстринах без значительного перепада высот, через всю ширину речки рабочие органы ГЭС. Это в основном три типа механизмов. Первое, на тросу перекинутом через речку установлены роторы Савониуса. Они вращают трос, а на берегу повышающий редуктор (мультипликатор), и генератор. Второе, если русло узкое и глубокое, то удобнее ставить водяной винт как у корабля. Получится очень похоже на ветряк, только в воде. Потому и называется ВОДЯК. Водяки удобно ставить не только на речке, но и в морских течениях и получать серьезную энергию. Конечно, приходится перед винтом устанавливать мелкие рыболовные сети, дабы винт, вращаясь относительно быстро, не порубил лопастями животных и ныряльщиков. Например, так можно обеспечить энергией, вплоть до отопления, весь остров Тузла, да и все другие близкие острова и побережья. Третье это установки Ленёва, они напоминают гусеницу с траками, повёрнутыми на 45 градусов относительно направления движения гусеницы. Такая гусеница ставится поперёк течения и вертикально валами. Одна из звёздочек вращает генератор. Очень высокоэффективный способ. Но в такой установке есть изнашиваемые детали, и они пока не очень долговечны.

В местах, где хороший перепад высот или готовая плотина, лучше ставить агрегаты использующие именно перепад высот. Этот способ позволяет использовать практически всю энергию водяного потока, до97%! Чтоб использовать перепад высот, то есть, давление водяного столба, используют турбины. И пока не изобретено ничего лучше, дешевле и легче в изготовлении, чем турбины. Их три основных разновидности: активная, реактивная, и центростремительная. Преимущества турбин в том, что в них поступает скоростной поток под значительным давлением и скоростью, как результат перепад высот, а выходит медленный и спокойный (если не спокойный, значит в нём ещё есть энергия!) и в несколько раз шыре (во много раз больше площадь поперечного сечения, это необходимое условие). То есть, почти вся энергия потока передаётся турбине.

Активная турбина состоит из колеса, на ободе которого прикреплены лопатки изогнутые по дуге около140— 160градусов. Поверхность лопаток должна быть по возможности гладкой, чтоб, не тормозить воду, превращая её механическую энергию в тепловую, а использовать скорость воды для вращения. Скоростная вода вырвавшись из сопла попадает на лопатки и развернувшись почти в обратном направлении (около140— 160градусов) выходит из турбины. Но турбина должна вращаться с касательной скоростью в ПОЛОВИНУ СКОРОСТИ СТРУИ. Потому струя которая выходит из лопаток, не меняет величины скорости относительно лопаток, а только меняет направление движения на обратное. Потому относительно окружающего всего неподвижного уже почти не движется. Правда, она имеет некоторую скорость не по направлению выхода из лопаток, а вдоль оси турбины, а столь малая скорость, энергии почти не имеет, она отдана лопаткам. Реактивная турбина работает подобным образом, но она должна быть в кожухе и требует относительной герметичности. Перед лопатками реактивной турбины стоит специальный направляющий аппарат, состоящий из неподвижных лопаток и закручующий весь поток в сторону вращения турбины. А у турбины лопатки согнуты по дуге не 160, а около 80 градусов, похоже как бы активную турбину разрезать на две, по середине изгиба лопаток.

Реактивная турбина имеет кпд на несколько процентов лучше, чем активная, но оказывает большое давление вдоль оси. Что требует дополнительных упорных подшипников. Потому применять её на самодельных ГЭС проблемно.

Центростремительная турбина. В принципе, это обыкновенный центробежный насос, только поменяны местами вход и выход. Её наиудобнее ставить там, где не просто перепад, а большой перепад, но малое количество воды. Но такая турбина не получается с кпд больше 80% тогда как активная дотягивает до 95%, а реактивная до 97%. На практике центростремительные турбины редко бывают с кпд больше70%. А активные больше 85%. Для самоделок наипредпочтительней использовать активную турбину. Её наипроще рассчитать и изготовить. Она не требует кожуха, у её нет усилий направленных вдоль оси.

Расчёт энергии воды.

Кинетическая энергия потока рассчитывается по формуле из школьного учебника физики E= MV/2 где М- масса воды в килограммах, протекающая через установку, за одну секунду. V- Скорость этой воды в КВАДРАТЕ(!), в метрах за секунду. E- Энергия в джоулях. (один джоуль это одна ватсекунда, сколько джоулей получим за одну секунду, столько ват мощность). К стати не путать ваты и киловатты с ватсекундами и киловатчасми. Ваты и киловатты это мощность, а ватсекунды и киловатчасы, это количество энергии или же работы. (Энергия и работа имеют одну и ту же размерность).

Потенциальная энергия потока. Тоже по школьной формуле ( mgh), где m- масса воды (В килограммах!) протекающая через установку за каждую одну секунду. g- ускорение силы тяжести = 9,8 метра за секунду в квадрате ( в квадрате слово секунда, а не число9,8 !), h- перепад высот (в метрах!).

Скорость потока вырывающегося из сопла v= корень!!! из 2gh. Где v- искомая скорость струи (в метрах за секунду!), g- число 9,8 м/сек, h- высота столба воды, (в метрах!) (разность между верхним и нижним уровнями).

Таким образом, измерив количество воды протекающее в русле за одну секунду, и измерив разность между верхним уровнем, откуда поступает вода, и нижним, где сливается вода из установки, можно вычислить максимальную энергию которая выделяется за одну секунду, в джоулях. Численно это будет мощность потока в ватах. Умножив эту цифру на кпд, получим величину электрической мощности в ватах. А поделив на1000, величину в киловатах.

Зная скорость струи при выходе из сопла, можно задать касательную скорость вращения турбины, она должна быть в половину скорости струи, или ещё на несколько процентов меньше. А зная диаметр и касательную скорость, можно вычислить скорость в оборотах за секунду. Из чего уже рассчитывать трансмиссию.
Примечание по регулировке мощности. Если имеется круто наклоненная речушечка с постоянным расходом воды. И нет возможности сделать водохранилище, то выгодно создать разницу высот заключив наклонный участок речушки в трубу. В таком случае труба оказывается довольно длинной, и столб воды, движущийся в ней, имеет порядочную инерцию. Потому регулировать мощность простым перекрытием заслонок на сопле нельзя. Для этого рядом с соплом необходимо поставить подпружиненную заслонку (аналог редукционного клапана) и отрегулировать усилие пружины так, чтоб при малейшем повышении давления выше рабочего, это давление открывало заслонку и вода сливалась мимо сопла. Таким образом, скорость воды в трубе будет сохраняться постоянной при любой нагрузке на турбину.

Мощность турбины можно регулировать не только перекрывая поток из сопла, а так же поворотом сопла, уводя в сторону от турбины поток. А в некоторых случаях регулируют, меняя нагрузку на генератор, грея электричеством ту же воду, энергия то «дармовая», но так возрастает износ трансмиссии.