Все плюсы и минусы водяного электрогенератора

Что такое гидрогенератор?

В общенаучном понимании, гидрогенератор – это электроустановка, которая способна вырабатывать электроэнергию для гидроэлектростанций. Их устройство и параметры жёстко регламентированы требованиями государственных и международных стандартов. Они бывают, как очень большие для станций вырабатывающих энергию для городов, так и маленькие. Последние можно использовать в своем подсобном хозяйстве, установив на речку. Или снабжать электроэнергией поселок или деревню. Правда выгодно? Смотрим на картинку ниже. Это огромный генератор установленный на Ирганайской ГЭС.

Правда большой? Станция находится в республике Дагестан, Уцкульский район, р. Аварское Койсу. В год такая станция вырабатывает почти 1300 млн кВтхчасов электроэнергии. Ввели в эксплуатацию первый агрегат в 1998 году.

Является филиалом ОАО «РусГидро» — «Дагестанский филиал». Мощность 400 МВт. Очень большая энергия, поэтому в процессе работы обмотки и части генератора сильно нагреваются, для их охлаждения используются воздухоохладители во работающие на охлаждение с использованием воды. Станция по показателям является третьей на Кавказе, после Грузинской и Российской. Для грузинской станции в 2014 году мы изготовили воздухоохладители во 2100 улучшенной конструкции с учетом особенностей станции. В 2015 году планируется модернизация следующих блоков.

Не много о станции и станциях

Состоит из самих блоков станции с оборудование, плотины и водохранилища глубиной 83 метра, очень глубоко. В 2006 году на полную мощность запустили два из 4-х гидроагрегатов. В России на конец 2013 года работали уже 102 станции мощность более 100 МВт! И еще больше менее мощных. О самых маленьких мы сейчас поговорим. И так идем далее.

Мы рассмотрели большие агрегаты, но есть и маленькие, которые удобно использовать в не больших районах.

Микро-ГЭС

Это называется микро-ГЭС. Ваш дом может быть автономным. Всего навсего нужна река рядом с вашей крепостью и тогда вы становитесь независимым от внешних источников. Мощность такой малютки может быть до 4000 Вт! Надо больше? Установите несколько, затрат минимум, а каков эффект.

Цена от 6000 рублей. Учитывая, что я плачу за электроэнергию порядка 2500 рублей, то можно и задуматься о покупке. Раз заплатил и всё! И вас никто не отключит, за не уплату так скажем. А, если не хватит такого моторчика можно всегда установить более мощную установку, это уже мини-ГЭС.

Мини-ГЭС

Можно и поставить мощней в случае необходимости рассчитав сколько у вас приборов потребляющих энергию, просто сложив мощности и плюс 25% про запас, как говорится, чтоб все было ок! Ниже на картинке такая мини-ГЭС мощность 20кВт.

Есть и мощней конечно. Можно сложиться и купить более мощную ГЭС для обеспечения целого поселка или деревни. Наш завод производит запчасти к гидротурбинам и гидрогенераторам промышленного и бытового назначения. И так идем далее.

Основные типы гидрогенераторов

В обычном понимании, гидрогенераторы – это особые синхронные устройства вертикального типа, которые производят своё вращение от гидротурбины. Но есть и капсульные, и горизонтальные гидрогенераторы, принцип работы которых несколько отличается от вертикальных, являющихся нормой. Такие типы гидрогенераторов используются на особых участках рек. Это научное понятие, а типы основные мы рассмотрели выше. Это большие гидроагрегаты для ГЭС, микро-ГЭС для дома, мини-ГЭС для большого дома или хозяйства и малые-ГЭС для поселков.

Как сделать мини ГЭС в домашних условиях

Принцип работы небольшой самодельной ГЭС можно понять на примере велосипеда с фарой и динамо-машиной (генератором).

1. Из кровельного железа делаем три лопасти длиной, равной радиусу велосипедного колеса (расстоянию от центральной втулки до обода колеса) и шириной 3-4 см.
2. Устанавливаем лопасти между спицами колеса, загнув для крепления край лопасти вокруг спиц. Лопасти должны быть выставлены равномерно с сохранением одинаковых углов между ними.
3. Погружаем колесо с лопастями в быструю реку на глубину от трети до половины диаметра колеса. Вырабатываемой электроэнергии будет достаточно, например, для освещения палатки.

Чертеж одного из вариантов строительства мини ГЭС
Примером может служить небольшая ГЭС для фермерского хозяйства мощностью 3-5 кВт из подручных материалов:

1. Ротор можно сделать из старого металлического кабельного барабана диаметром 2,2 м. При помощи болгарки и сварки под углом 45 градусов к радиусу нужно вварить 18 лопастей. Вращается ротор на подшипниках. Опора – труба металлическая или уголок.
2. На роторе нужно установить цепной редуктор с передаточным числом (коэффициентом передачи) 4. Далее вращение будет передаваться через карданный вал ВАЗ 2101. Использование кардана уменьшит вибрацию, а также соосность привода и генератора при использовании вала будет некритичной.
3. Понадобятся повышающий редуктор (коэффициент – 40) и трехфазный генератор. Скорость вращения генератора около 3000 об/мин. Общий коэффициент редукции двух редукторов составит 40 х 4 = 160. Генератор следует закрыть кожухом для защиты от влаги и безопасности. Расчетное вращение водяного колеса должно составить около 20 оборотов в минуту.
4. Под генератор можно приспособить асинхронный двигатель, а блок управления взять от любого небольшого станка. Понадобится кабель ВВГ НГ 2х4 длиной от ротора до фермерских построек.

Принципы работы гидрогенераторов

У всех гидрогенераторов, в отличии от других роторных установок, достаточно маленькая скорость оборотов в минуту. Она редко превышает значение 500. А вот диаметр их турбин обычно огромный – до 25 метров. Это обусловлено сразу несколькими факторами. Во-первых, вертикальной ориентацией генераторов, так как большинство из них имеют именно такое исполнение, а во-вторых, спецификой работы. Если же устройство имеет горизонтальную направленность, то принцип работы гидрогенератора меняется, ведь жёсткость и устойчивость такой конструкции обеспечить крайне тяжело. Схема гидрогенераторов: где раздобыть?

При покупке гидрогенератора у производителя, Вы получаете подробную инструкцию по эксплуатации и все схемы гидрогенераторов, которые необходимы для обслуживания, диагностики и проведения ремонтных работ на установке. В случае утери таких схем, их можно найти на сайте производителя, заказать отдельно или же найти в открытом доступе на специализированных ресурсах по гидрогенераторам в сети Интернет.

Желательно не жалеть и покупать качественные агрегаты и запчасти к ним.

Использование пропеллера

Пропеллером называют колесо, аналогичное колесу ветряных мельниц, но располагающееся под водой. Он полностью погружен в воду (в отличие от водяного колеса), а ширина его лопастей минимальна (в отличие от воздушного колеса).

Для разных скоростей водного потока выбираются лопасти разной ширины. Так, при скорости 0,8-2 м/с оптимальная ширина — 2 см. Производители оборудования для мини-ГЭС предлагают модели пропеллеров, подходящие для той или иной скорости водного потока. Но соответствующий пропеллер можно сделать и самостоятельно.

Бесплотинные гидрогенераторы: гирляндная ГЭС и ротор Дарье

Существует еще два вида бесплотинных мини-ГЭС: гирляндная ГЭС и ротор Дарье. Их устройство сложнее, а потому такие гидрогенераторы применяются реже.

Гирляндная ГЭС получила название от внешнего вида: стальной трос диаметром 10-15 мм, на котором, как бусины, нанизаны роторы. Трос в данном случае выполняет функцию гибкого вала. Им перегораживают русло реки, при этом роторы полностью погружаются в воду. Один конец троса соединяется с подшипником, а второй — с валом генератора. Водный поток вращает роторы, а они, в свою очередь, вращают трос.

Уже в 50-е годы ХХ столетия народные умельцы сооружали гирляндные мини-ГЭС, используя генератор от автомобиля, а в качестве роторов — консервные банки.

Сегодня технологии двинулись вперед, и промышленность предлагает роторы различных видов, повышающие КПД генератора.

В качестве гидроколес эффективнее использовать не консервные банки, а пропеллеры (аналоги детских вертушек), изготовленные из тонких металлических листов. Одно такое гидроколесо дает до 2 кВт энергии при скорости водного потока 2,5 м/с. Глубина погружения роторов зависит от времени года: летом их опускают на о,2 глубины от поверхности воды, а зимой — на о,5 глубины от поверхности льда (если водный поток замерзает). При этом глубина водного потока не должна превышать 1,5 м. То есть подобные мини-ГЭС устанавливаются на небольших речках и ручьях.

Конструкция гирляндной ГЭС с турбинно-тросовым приводом:

1. подшипник;
2. опора;
3. металлический трос;
4. электрогенератор;
5. уровень воды в реке;
6. речное русло.

Недостатки гирляндных ГЭС очевидны:

• высокая материалоёмкость, что приводит к довольно значительным первоначальным расходам;
• сложность конструкции, что снижает надежность оборудования;
• необходимость перегораживать речное русло, что может представлять опасность для окружающих.

Самый существенный минус — перегораживание русла. Подобное практически невозможно сделать в более или менее оживленном месте: дети, рыбаки, лодки — все это мешает нормальной работе гидрогенератора, причем даже установка предупреждающих знаков мало помогает. Остается только огораживать участок реки таким образом, чтобы воспрепятствовать доступу нежелательных визитеров к оборудованию, но это не всегда удается осуществить. Поэтому гирляндные мини-ГЭС используются в основном в относительно безлюдных местах (например, на летних пастбищах).

Более безопасным для окружающих вариантом гирляндной мини-ГЭС является погружная установка, заключенная в раму. В этом случае нет необходимости перегораживать все речное русло. Кроме того, оборудование можно устанавливать практически при любой глубине и ширине реки (если глубина слишком велика, то рама снабжается поплавками).

Погружная мини-ГЭС с горизонтально расположенными роторами поперечного типа.

Принцип работы ротора Дарье

Ротор Дарье — четвертый вариант мини-ГЭС. Это вертикальный ротор с лопастями специальной конструкции: поток воды оказывает на них различное давление, и за счет этого осуществляется вращение. Эффект напоминает подъемную силу, действующую на самолетное крыло, которая возникает из-за разницы между давлением воздуха над крылом и под ним.

В конструкции гидрогенератора ротор Дарье используется реже всего, потому что перед началом эксплуатации его необходимо раскрутить. К плюсам такого оборудования относится то, что раскрученный ротор Дарье продолжает работать вне зависимости от сезонных изменений скорости водного потока и т. д. Остановить его может только полное промерзание воды. Но оборудование этого типа является дорогостоящим и сложным в эксплуатации.

Достоинства гидрогенераторов

Если вы собираетесь устанавливать гидрогенератор, имейте в виду, что многие небольшие водотоки в холодное время года замерзают. Кроме того, для них характерны изменения уровня, объема и скорости воды в зависимости от сезона. А некоторые водоемы просто пересыхают в летний период. Все эти факторы влияют на работоспособность и КПД гидрогенератора.

Более того, из-за них мини-ГЭС может оказаться лишь сезонным источником энергии. Например, если река или ручей пересыхает летом, гидрогенератор будет работать только в холодную пору года, а если замерзает на всю глубину зимой, то сможет обеспечивать ваше домовладение электричеством лишь при плюсовых температурах окружающей среды.

Периоды, когда гидрогенератор не эксплуатируется, используются для технического обслуживания. Из главной триады бестопливной энергетики — гидро-, ветро- и гелиоэнергетики — первая требует самых значительных первоначальны затрат, а оборудование наиболее сложно в эксплуатации и имеет самый малый ресурс службы (работа осуществляется в агрессивной среде).

Но при этом есть и очевидные плюсы: оборудование для мини-ГЭС выпускается давно, оно тщательно опробовано и надежно — известно, чего от него ожидать. Производят его многие компании, в том числе и отечественные, которые предлагают различные варианты комплектации, рассчитанные на все возможные разновидности водных потоков и условия эксплуатации. В настоящее время изготавливаются мини-ГЭС, оснащенные устройствами автоматического регулирования. Это оборудование благополучно работает «само по себе», не требуя постоянного присутствия человека.

Устройство гидрогенератора для электростанций

На тех электростанциях, которые используют поток воды для получения энергии, устройство гидрогенератора сравнимо с устройством двигателя. Они не только вырабатывают, но и потребляют энергию. Они отличаются улучшенной конструкцией подпятника, которая даёт возможность ротору крутиться в любую сторону.

Если гидрогенератор капсульный и горизонтальный, то это герметичная капсула, которая имеет в своём устройстве не только гидрогенератор, но и гидротурбину, а также все необходимые системы для обеспечения её работы. Эта капсула помещается под ток воды на станции.

Принцип работы гидроэлектростанции:

В упрощенном понимании принцип работы ГЭС можно представить следующим образом. Необходимый для работы гидроэлектростанции поток воды подается от нескольких гидротехнических сооружений. Напор водной массы давит на лопасти гидротурбины, которые приводятся во вращательное движение. С момента начала вращения лопастей механическая энергия передается на гидрогенераторы, которые в свою очередь начинают вырабатывать электроэнергию.

Конструкция гидрогенератора и его элементы

Конструкция гидрогенератора определяется прежде всего потребностями гидротурбины, а они зависят от климата и погодных условий того региона, где находится гидроэлектростанция. Также важен напор воды в месте постройки. Поэтому под каждую отдельно взятую гидроэлектростанцию создаётся свой собственный гидрогенератор. Но у всех у них есть и общие части: ротор, статор, крестовины, подпятник и подшипники, которые составляют костяк конструкции. Там же устанавливаются промышленные воздухоохладители для охлаждения обмоток. Охладители так же используют воду для охлаждения нагревающихся трубок. Поэтому от того какая вода используется, хим состав и примеси, зависит и материалы из которых изготавливается теплообменник. Может быть, как простая сталь и латунь, так и нержавейка или мельхиор МнжМц если допустим используется вода с большим солесодержанием или морская.

Расчёт гидрогенератора

Под создание каждой новой гидроэлектростанции, производят расчёт гидрогенератора, который будет там работать. Для начала проектируют размеры статора и ротора, длину обмоток и изоляции, конструктивные элементы и узлы, а также общее крепление всех частей. Все расчёты выполняются профессионалами на заводах-изготовителях. Очень большим заводом является предприятие «Элсиб» производящее такие генераторы. А, так же огромное предприятие Силовые машины о котором наверное все знают. Расчет выполняют специалисты, а мы с вами будем пользоваться на благо плодами их труда.