В Саратовской области много малых рек — притоков реки Волги, которые могут быть потенциальными источниками электроэнергии в районах, удаленных от населенных пунктов, к которым не проложены линии электропередачи. Если посмотреть на карту Саратовской области, то видно, что на малых реках деревни расположены друг от друга на удалении 5–10 км. При этом, между деревнями располагаются поля и пастбища.
Обеспечить комфортный отдых можно при наличии электроэнергии, но тянуть линию электропередачи для малого количества пастухов нерационально и поэтому пастбища, расположенные на удалении от ферм не используются.
Исправить положение можно используя малые гидроэлектростанции, но их производство еще необходимо организовывать. А для этого необходимо знать потенциал рек и на какую мощность рентабельно выпускать микроэлектростанции.
Рассмотрим основные реки и их усредненные характеристики, которые можно узнать из Интернета.
Волга, длина 3530 км; расход воды 8060
/с; скорость течения от 0,5 до 1,7 м/с.
Хопер 979 км; 150 м³/с; 0,3 м/с
Медведица 745 км; 69 м³/с; 0,5 м/с
Большой Иргиз 675 км; 23 м³/с; 0,7 м/с.
Иловля 358 км; 9,6 м³/с; 0,3 м/с
Терса 239 км; 5,6 м³/с; 0,4 м/с
Сердоба 160 км; 48 м³/с; 0,35 м/с
Аткара 106 км; 32/с; 0,3 м/с
Идолга 91 км; 23/с; 0,3м/с
Здесь представлены наиболее крупные реки, но их анализ показывает, что скорость потока явно недостаточна для использования скоростного напора для выроботки электроэнергии, в то время как секундный расход мог бы позволить ее выработку при использовании плотиннывх ГЭС.
Однако строительство таких гидротехнических сооружений невыгодно, хотя — бы из соображения затопления территорий, которые предполагается эксплуатировать.
Так как напорную ГЭС строить нельзя, кинетическая энергия потока невелика, изготавливать гидроэлектростанцию по всему поперечному сечению потока нет смысла. Затраты на изготовление вряд ли когда окупятся и столь габаритное сооружение не будет вписываться в пейзаж.
Однако на этих реках много перекатов и стремнин, где скорость потока превышает 1 м/с, при этом размеры такого участка по фронту редко превышают 3 метра. Это известно из личных наблюдений авторов на некоторых указанных реках.
Это позволяет сделать предположение, что на эти участки можно устанавливать небольшие по размеру (2–3 метра в ширину) гидродвигатели.
Мощность таких микроГЭС не превысит 3–5 кВт, но для стойбища вполне будет достаточно.
Задача — определиться с конструкцией гидродвигателя для микромощной гидроэлектростанции.
Выберем ограничения, которые позволят определить выбор микроГЭС:
должна работать круглогодично,
не искажать пейзаж.
Первое требование указывает на то, что рабочий орган должен всегда располагаться ниже уровня промерзания потока. Второе — вся конструкция должна быть полностью погружена в воду, что не противоречит первому ограничению
Этим условиям отвечают гирляндные ГЭС, пропеллерные с горизонтальной осью, ориентированной вдоль потока и лопаточные, с лопатками, установленными на бесконечной ленте.
Первые нет смысла устанавливать, т. к. в большей части поперечного сечения потока реки скорость незначительная и элементы гирлянды, находящиеся в зоне малых скоростей потока будут не производить энергию, а тормозить элементы, находящиеся в зоне высоких скоростей потока.
Пропеллерные должны содержать большое количество колес, так как реки неглубокие и диаметр пропеллера нет смысла изготавливать более 1 метра в диаметре, а это значит, что при ширине потока в 3 метра их потребуется 3 шт.
Остается вариант бесконечной ленты с лопатками. Для лучшего восприятия напора потока по ходу воды может быть установлено несколько лопаток. Такой гидродвигатель напоминает гусеницу трактора с лопатками, ориентированными поперек потока.
Такие микроГЭС известны из патентной литературы и следовательно представляют интерес не только для нашего коллектива. Копировать чужую конструкцию, в принципе можно, с учетом авторских прав. Но более интересно разработать свой вариант, изготовить макет и привести испытания, что соответствует задаче учебного заведения.
Однако, перед этим, есть смысл запатентовать свою идею, чтобы в случае удачного результата испытаний авторские права на нее не успели оформить непричастные к разработки лица.
Известны ГЭС, помещаемые в поток мелкой реки или опускаемые на дно, где поток, воздействуя на лопасти, вращает гидротурбину и передает силу вращения на генератор тока, чаще всего размещенный на поверхности, над водой, включающие корпус устройства, бесконечную ленту в виде цепи, жесткие лопатки, закрепленные на цепи с барабанами, механизмом натягивания цепи и пропуска лопаток через пустотелые барабаны.
Недостатком известных конструкций является необходимость установки поплавков на лопатки, для обеспечения их поднятия при рабочем ходе, что усложняет конструкцию.
Отличием разработанной мткроГЭС является то, что жесткие поворотные лопатки перед рабочим ходом поворачиваются за счет всплывания верхней части без использования дополнительных поплавков и принимают вертикальное положение за счет выполнения пустотелых поплавков.
Как устроена предлагаемая конструкция.
Между полыми барабанами (ведущим и ведомым), закрепленными на боках корпуса, натягивается эластичная бесконечная лента из прочного и не растягивающегося материала, на котором закреплены, друг за другом жесткие поворотные лопатки. За вторым (ведомым) барабаном жесткая поворотная лопатка поворачивается и прижимается к ленте, но сами жесткие поворотные лопатки свободно, с минимальным сопротивлением, проходят между донным корпусом и нижней частью движущейся бесконечной ленты благодаря низкому трению смоченных поверхностей лопатки и корпуса. После выхода жесткой поворотной лопатки над ведущим барабаном она перемещается набегающим потоком и вращает эластичную ленту, которая в свою очередь вращает барабан.
. Между барабанами и лопастями в виде лопаток на бесконечной ленте расположен герметичный отсек, верхняя и нижняя стороны которого являются поддерживающими направляющими для бесконечной ленты, препятствующими ее провисанию, а во внутренней герметичной полости отсека могут размещаться гидрогенераторы и механизмы отбора мощности, и только электрический кабель связывает устройство с берегом. На осях барабанов размещены приспособления для натяжения ленты, причем они могут быть автоматическими.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом: весь корпус в сборе с боковыми бортами помещается в поток быстротока или погружается на дно реки, для этого устройство снабжается балластом. Барабаны (ведущий и ведомый) на оси снимаются с тормозного стопора и бесконечная лента под воздействием потока воды на лопасти в виде жесткой поворотной лопатки начинает вращение. В одной из боковых сторон корпуса (в герметичном отсеке) размещен редукционный механизм отбора мощности, например ременная или зубчатая передача, которые передают силу вращения барабанов на генератор, помещенный также в герметичном отсеке между верхней и нижней частями бесконечной ленты, а через электрический кабель энергия передается потребителю на берег.
При верхнем рабочем расположении рабочей зоны бесконечной ленты поднятие жесткой поворотной лопатки обеспечивается архимедовой силой за счет полости в верхней части лопатки, т. е. обеспечивается быстрое и полное раскрытие жестких поворотных лопаток в рабочей зоне бесконечной ленты и складывание этих лопаток в нерабочем положении, в противотоке.
Подобные ГЭС с верхним расположением рабочей зоны могут быть помещены в речку (если она мелкая, но быстрая) несколькими изделиями одновременно, перекрыв ее поперек, тем самым создав дополнительный подпор воды, или распределены эти ГЭС согласно местным условиям ландшафта и русла потока.
Существует возможность выносить генераторы тока за пределы изделия, помещенного в поток, например, посредством гибкого вала или соединять несколько изделий на один вал, тогда герметический отсек служит балластом. Изделия соединяются боковыми бортами и анкеруются, создавая своеобразную перегораживающую плотину из предлагаемых ГЭС, но на одном валу, который через кардан передает мощности вращения на генератор, размещенный на берегу. Возможно размещение группы изделий в крытом, специально отведенном от большой реки канале, с заданным уклоном быстротока, как самостоятельное здание ГЭС.
Литература:
- Яковенко А. Л., Навернюк А. М., Жигуленко И. В. Погружная ГЭС с лопатками на бесконечной ленте. Патент на изобретение №:2395000. Опубликовано 27.10.2009, бюл.№ 20.
- Ковальчук Е.А Погружная микроГЭС с лопатками на бесконечной ленте. Заявка на полезную модель № 2015132708 от 05.08.2015
