деревянная русь

строительство домов

рукоделие

столярное дело

печное дело

кузнечное дело

керамика





 

Малая энергетика. Бесплотинные ГЭС

Существовавшая в прошлом веке гигантомания в энергетике уже дает свои горькие плоды. Это монополизм, огромные эксплуатационные затраты, опутывание Земли дорогими ЛЭП, отчуждение под водохранилища земельных угодий, соизмеримых с территориями некоторых стран, и многое, многое другое. Все это весьма негативно сказывается даже в столичном регионе России.

Малая энергетика. Бесплотинные ГЭС
Малая энергетика. Бесплотинные ГЭС
ГЭБ в реке (модель)
Малая энергетика. Бесплотинные ГЭС
Малая энергетика. Бесплотинные ГЭС
Принципиальная схема движителя
Малая энергетика. Бесплотинные ГЭС
Схема конструкции бесплотинной ГЭС
Малая энергетика. Бесплотинные ГЭС
Один модуль бесплотинной ГЭС обеспечивает мощность по генерированию до 30 кВт электроэнергии
Малая энергетика. Бесплотинные ГЭС
Малая энергетика. Бесплотинные ГЭС
Изготовление модулей бесплотинной ГЭС в мастерской Клуба мастеров «Сень» (с.Огарково Малая Истра)

«Энергосети Московского региона изношены более чем на 60-65%, рассказывает пресс-секретарь ОАО «Мосэнерго» Михаил Короткое. - Тарифы покрывают затраты только на поддержание сетей в рабочем состоянии. Единственный выход - поддержать уже существующие энергоресурсы и сделать энергетику конкурентоспособной» («АиФ», 9, 05, с.33).

А есть ли альтернатива? Она была всегда, а сейчас стала чрезвычайно актуальной. Еще когда проектировали Волжские ГЭС, во Всесоюзном институте источников тока подсчитали, что если установить на площади, предназначенной под водохранилища, солнечные батареи, то можно снять с них на порядок больше энергии, чем дадут ГЭС. Правда, стоимость батарей тогда была чрезмерной. Ее и сейчас нельзя назвать низкой. А есть ли что-то дешевле? Вот почему Благотворительный фонд им. Н.А.Львова (президент А. В. Билецкий) организовал обсуждение чрезвычайно экономичной бесплотинной ГЭС по пат. 2166664 известного изобретателя из Красноярска Н. И. Ленева. По ходатайству Фонда соответствующее техническое решение было рассмотрено 10 марта 2005 г. на заседании Комиссии РАН по энергоаккумулирующим системам, вызвав живой интерес всех присутствующих. Еще бы, ведь по капитальным затратам на получение 1 кВт электроэнергии установка почти на порядок рентабельнее существующих систем.

5-6 лет тому назад Выставочный комплекс «Экспоцентр» демонстрировал средства малой энергетики США. Говоривший по-русски без акцента американец-гид, которому, по-видимому, надоело отвечать на вопросы посетителей, возмутился: «Да что вы докапываетесь? Ведь у вас нет частной собственности на электростанции, и потому ваше государство никогда не будет заниматься подобными мелочами!»

Думается, что американец был неправ. Вспомним отечественный опыт. Так, «гирляндные ГЭС» Б. С. Блинова, изобретенные три десятка лет тому назад, успешно эксплуатировались в ряде регионов России (Калининградская, Пермская и Псковская области) и за рубежом (Вьетнам). ГЭС Блинова представляли, собой перекинутый с одного берега на другой трос, вращаемый турбинами и приводящий в действие генератор. Эти микроГЭС не получили широкого распространения.

Почему? Из-за ограниченной мощности (до 2 кВт), задержки тросом плавника или по другим причинам?

Кто знает, почему одни изобретения не приживаются, а другие живут вечно. Попробуем угадать судьбу этого.

Схема конструкции бесплотинной ГЭС по пат. 2166664 представлена на рисунке, где в плавучем корпусе 1 из легкого материала установлены на вертикальных валах 2 зубчатые колеса 3, в зацепление с которыми входят цепи 4 (в общем случае вместо цепей могут использоваться гибкие элементы, охватывающие валы 2 или барабаны 3) с закрепленными на них под углом 20-50° к направлению потока, показанному стрелкой, прямоугольные лопасти. Указанный диапазон выбран, исходя из следующих условий: при значениях угла меньше 20° давление потока на лопасти оказывается недостаточно эффективным, а больше 50° - резко увеличивается гидравлическое сопротивление установки. Лопасти закреплены на гибком элементе с помощью шарнира в их средней части таким образом, чтобы межлопастные промежутки одной ветви перекрывались лопастями другой (встречной) ветви.

На передней и задней стенках каркаса 1 закреплены по паре направляющих 6 (по одной в нижней и верхней его частях), по которым лопасти скользят свом задним ребром. Один из валов 2 последней секции соединен трансмиссией, включающей редуктор, с электрогенератором (на рис. не показан).

Работает устройство следующим образом. При положении установки фронтально к потоку горизонтальная составляющая сил давления потока на лопасти 5 заставляет двигаться цепь 4, вращающую зубчатые колеса 3, установленные на валах 2, по часовой стрелке. При этом лопасти движутся своим задним ребром по направляющим 6, что позволяет сохранить постоянным угол расположения лопасти к направлению потока. В нижнем положении цепи 4 из-за наружного расположения направляющей 6 на корпусе 1 плоскости 5 также оказываются фронтальными к направлению потока. При этом звездочки 3 вращают валы 2, один из которых соединен с электрогенератором. Благодаря расчетному количеству лопастей на гибком элементе поток среды, прошедший между каждой передней парой лопастей, попадает на нижнюю лопасть, располагающуюся фронтально к потоку.

Как видно из рис., поток среды, изображенный ломаной стрелкой, характеризуется весьма сложной динамикой, усугубляемой движением лопастей в противоположные стороны, которые интенсивно его перемешивают. В результате на установке, состоящей из трех секций, число Рейнольдса, определяющее степень турбулентности потока, достигает 170 тыс. Соответственно, значителен перепад напоров на установке, которая, таким образом, играет роль плотины, утилизирующей энергию текущей среды. Если скорость среды на входе в установку всего 0,1 м/с, то на выходе из первой секции - 0,3 м/с, на выходе второй секции - 0,8 м/с, на выходе третьей секции - 2 м/с. Естественно, генератор ставят на вал 3-й секции. Интересно, что, в отличие от плотины, перепад напоров в потоке образуется не за счет подпора перед установкой, как в известных плотинных ГЭС, а за счет падения уровня за установкой. При этом дамбы в реке наращивать не надо, так как перепад естественным путем выравнивается за счет бокового потока среды за установкой.

При размещении на корпусе 1, выполненном в виде рамной конструкции, нескольких параллельно установленных секций (в одном каркасе рационально ставить минимум 3 секции) в смежном между ними пространстве образуются завихрения (встречные струи), резко повышающие гидравлические сопротивления потоку и, соответственно, создающие перепад напоров (на рис. снизу тонкими линиями показаны элементы второй секции, на которые поступает поток среды, сформированный лопастями первой секции). В результате даже при малой скорости реки внутри установки (между секциями) скорость потока значительно возрастает. Это позволяет в реке или ручье получать значительную мощность электростанции. Число оборотов валов 2 установки при средних скоростях водного потока в реках довольно низкое (45-60 об/ мин). Поэтому для привода генератора можно успешно использовать стандартные редукторы с передаточным числом I = 50. Из-за низких скоростей вращения и водяной смазки, весьма ограничен износ трущихся поверхностей, что упрощает эксплуатацию установок и делает их долговечными.

На фото представлены несколько вариантов успешно работающих экспериментальных установок. Как видим, они крайне просты в изготовлении и «всеядны» (могут быть изготовлены из любого подручного материала). Первую экспериментальную установку изготовили в 2003 г. под руководством Ленева школьники села Шушенское, откуда родом изобретатель. Всего изобретателем сделано более десяти модификаций. Есть цельнодеревянные устройства, в которых цепь заменена деревянными роликами.

При всей своей очевидной конструктивной простоте и надежной воспроизводимости описанная разработка имеет высокую наукоемкость. Весьма своеобразная гидравлика работы лопастей установки, секции которой взаимодействуют друг с другом, вызывает ряд вопросов, требующих пояснений. Например, плавучая работающая установка, привязанная тросом к берегу с одной ее стороны, не разворачивается течением, оставаясь перпендикулярной к направлению потока. Должно быть, зоны вакуума, которые образуются в задней части лопастей, компенсируют давление потока на передние их части.

При размерах экспериментальной установки: длина - 1250 мм, ширина - 1200 мм, глубина - 700 мм, - получаем 1 м3 занимаемого объема реки. Площадь лопасти с размерами 50x20 см составляет 1000 см2. Это означает, что при перепаде напоров на установке всего в 10 см, т.е. Р = 0,01 кГ/см2, на лопасть будет действовать сила: F = S Р= 1000 0,01 = 10 кГ. Учитывая, что лопастей в установке несколько десятков, можно заключить, что действующие в ней силы весьма значительны. Расчеты, подтвержденные экспериментально, показывают, что при скорости воды в реке, равной 1 м/с, установка с приведенными выше размерами снимает N = 10,5 кВт, т.е. мощность, удовлетворяющую потребностям не только отдельного коттеджа, но и фермы.

Доступность материалов (доски, брусья, дверные петли для крепления лопастей на цепи и пр.) позволяют соорудить установку в любых условиях.

Практика показывает, что эксплуатация ее (защита от плавника, льда, заиления и т.п.) не ведет к значительным затратам, что позволяет иметь, учитывая довольно низкую стоимость изготовления, высокую рентабельность бесплотинной ГЭС. Примерная стоимость установки мощностью 10 - 20 кВт не превысит 120 тыс. руб., т.е. затраты на 1 кВт установленной мощности составят 6 тыс. руб., что почти на порядок меньше, чем стандартных, ныне проектируемых, ГЭС.

Следует отметить и экологичность микро-ГЭС. Если турбины действующих электростанций губят попавшую в них рыбу, что вызывает необходимость строительства дорогих рыбоходов, то установка Ленева спокойно пропускает стаи сквозь себя. Более того, получаемая экологически чистая энергия позволит снизить нагрузку на ТЭЦ, загрязняющие окружающую среду своими отходами.

Предварительный анализ результатов работы экспериментальных установок показывает, что снимаемая с них электроэнергия превышает расчетные значения. Изобретатель убежден, что весьма своеобразные условия взаимодействия устройства с движущейся сложным образом, энергично бурлящей средой вынуждают последнюю отдавать свою внутреннюю энергию (помимо энергии, определяемой силами земного тяготения, действующими на воду). А это означает, что описанная новация заслуживает проведения глубоких исследований, чему не помешает ее широкое практическое использование уже сегодня.

Залогом успеха служит двухлетний успешный опыт эксплуатации экспериментальных установок Ленева.

Тел. (095)354-30-90. Ленев Николай Иванович.

В.ШАРОВ, к.т.н.

Статья опубликована в журнале «Изобретатель и рационализатор» №5 в 2005 году