Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 224.

Нужна ли гидроэлектростанции плотина?

Россия традиционно занимает одно из ведущих мест в мировом гидроэнергостроении. В советское время были созданы десятки научно-исследовательских институтов и проектных фирм, занимавшихся исключительно проблемами строительства ГЭС. На смену небольшим гидроэлектростанциям времен плана ГОЭЛРО пришли мощные сооружения волжских и сибирских энергетических гигантов. Последнее время в труднодоступных регионах востребованы так называемые малые ГЭС. Поэтому нет ничего странного в том, что большое число отечественных изобретений относится именно к области гидроэнергетики.

Однако и тут появляются новшества, способные удивить даже опытных специалистов. В первую очередь это касается не столько даже усовершенствования традиционных гидроагрегатов (а здесь энергомашиностроителям есть чем похвастаться), сколько вообще принципиально иного взгляда на добычу энергии с помощью воды.

Так, например, алтайский бизнесмен, бывший владелец топливной компании "Южная Сибирь" Н. И. Ленев создал бесплотинную гидроэлектростанцию (патент РФ № 2166664), аналогов которой, с точки зрения экономичности и простоты конструкции, в мире нет.

Обсуждение этого проекта, состоявшееся по инициативе Благотворительного фонда им. Н. А. Львова на заседании Комиссии РАН по энергоаккумулирующим системам в прошлом году, вызвало живейший интерес всех присутствующих. И неспроста: по капитальным затратам на получение 1 кВт электроэнергии установка рентабельнее существующих агрегатов почти на порядок.



Принцип весла

"Я решил построить на Алтае ГЭС, - сообщает Николай Ленев в интервью одной из местных газет. - Соответственно, стал изучать, как такие электростанции строятся. И увидел, что 90% стоимости строительства - это стоимость дамбы. А поскольку занимался коммерцией, конечно, меня заинтересовало, как построить ГЭС, не тратя эти 90%.

Решение пришло неожиданно.

Я переезжал на пароме реку Бия. Он двигался за счет весла. Маленького весла было достаточно, чтобы перевезти "КамАЗ" весом 20 тонн. Любого заинтересует такая мощь.

Несколько месяцев думал, как использовать принцип весла для получения энергии. В итоге пришло решение, кажущееся до гениальности простым. Представьте старинное мельничное колесо, в которое вставили второй вал, растянули до состояния гусеницы и положили набок, расположив лопасти под определенным углом. Только если у мельничного колеса работала только одна лопасть, то в этой конструкции работает все. Лопасти движутся, поэтому происходит не торможение, а ускорение.

Я специально обратился в Алтайский ЦНТИ. Они продали мне копии всех изобретений по гидроэнергетике. Я изучил их и могу точно сказать: ничего подобного изобретено еще не было".

Образец новой ГЭС появился в 2000 году. Мощность небольшой станции размером 5 на 12,5 метра - 10 тысяч киловатт. А изготовить ее можно в домашних условиях из любых подручных материалов: дерева, пластмассы, алюминия, железа. При этом от материала будет зависеть только срок ее эксплуатации. Двухсотметровая баржа, например, по подсчетам изобретателя, может вырабатывать до 500 мегаватт энергии. При этом бесплотинная электростанция экологически не только безопасна, но и полезна: она насыщает воду кислородом.

Опытный образец Николай Иванович собрал в сарае из подручных материалов. Весил он чуть больше 20 килограммов и позволял освещать и отапливать все домашнее хозяйство.

Еще не так давно через многие реки ходили паромы, привязанные к переброшенному с берега на берег тросу. К днищу такого парома крепился жесткий стальной лист под углом 45 градусов к набегающему водному потоку. Течение реки двигало паром поперек русла. Чтобы отправиться назад, достаточно было развернуть стальной лист на 90 градусов.

Ленев точно так же разместил дощечки под углом 45 градусов к течению реки. Соединил их велосипедной цепью - получился замкнутый контур, бесконечно вращаемый набегающим потоком. Осталось соединить цепь с валом, на котором расположен генератор.

Кстати, было сделано более десяти модификаций устройства, причем одно из них - цельнодеревянное, где цепь заменена деревянными роликами.



Все дело в лопастях

Кандидат технических наук В. Шаров так рассказывает о принципе работы бесплотинной ГЭС:
"В плавучем корпусе из легкого материала установлены на вертикальных валах зубчатые колеса, в зацепление с которыми входят цепи (в общем случае вместо цепей могут использоваться гибкие элементы, охватывающие валы или барабаны) с закрепленными на них под углом 20-50° к направлению потока прямоугольными лопастями. Указанный диапазон угла 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 закреплены по паре направляющих (по одной в нижней и верхней его частях), по которым лопасти скользят своим задним ребром. Один из валов последней секции соединен трансмиссией, включающей редуктор, с электрогенератором.

Работает устройство следующим образом. При положении установки фронтально к потоку горизонтальная составляющая сил давления потока на лопасти заставляет двигаться цепь, вращающую зубчатые колеса, установленные на валах, по часовой стрелке. При этом лопасти движутся своим задним ребром по направляющим, что позволяет сохранить постоянным угол расположения лопасти к направлению потока. В нижнем положении цепи, из-за наружного расположения направляющей на корпусе, плоскости также оказываются фронтальными к направлению потока. При этом звездочки вращают валы, 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.



Перепад воды - без дамбы

Поток среды характеризуется весьма сложной динамикой, усугубляемой движением лопастей в противоположные стороны (что приводит к интенсивному перемешиванию потока). 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 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, 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. 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 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.



Шесть тысяч за киловатт

Экспериментальная установка длиной 1250 мм, шириной 1200 мм, глубиной 700 мм занимает 1 м3 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 = SхР= 1000х0,01 = 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.) позволяет 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 не более 6 тыс. руб., что почти на порядок меньше, чем для стандартных ныне проектируемых ГЭС.

Следует отметить и экологичность новых ГЭС. Если турбины действующих электростанций губят попавшую в них рыбу, что вызывает необходимость строительства дорогих рыбоходов, то установка Ленева спокойно пропускает стаи сквозь себя. Кроме того, получаемая экологически чистая энергия позволит снизить нагрузки 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 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".



Элементы конструкции

Вот как описывает оригинальную конструкцию сам автор:

"Мною разработан способ использования энергии любого водного потока (реки, ручья, приливов, морской волны и т. д.) и движения воздушных масс. Способ не требует строительства дамб, каналов и напорных труб.

Данный способ отъема мощности водного потока наиболее выгоден и с экологической точки зрения, так как, занимая от 1 до 10 % площади естественного русла реки, он не препятствует свободному перемещению речной фауны и флоры, в отличие от существующих ГЭС.

Конструкция устройства представляет собой два ряда лопастей прямоугольной формы, оси которых делят их на две неравные части, большая из которых всегда под действием потока находится за осью дальше по потоку. Тем самым достигается минимальное ее вращение вокруг своей оси и, следовательно, наименьшие турбулентные завихрения. Верхние и нижние концы лопастей закреплены на замкнутых в кольца цепях ПРЛ (либо на любом другом гибком элементе). Цепи передают усилие через звездочки (рабочие колеса) на два вертикальных вала, с которых механическая энергия через гибкую муфту и промежуточный вал передается на валы электрогенераторов. Валы установки через подшипники скольжения (качения) жестко закреплены на каркасе с закрытыми на 2/3 боковыми и глухой нижней стенками, дополнительная вода из потока поступает через верх и 1/3 боковых стенок. В одном каркасе рационально размещать минимум три установки. Положение лопастей по отношению к основному потоку регулируется неподвижными направляющими для цепи и подвижными для большей из сторон лопасти. Меняя расстояние между подвижной направляющей для лопасти и неподвижной для цепи, мы задаем необходимый угол поворота между лопастью и направлением основного потока от 0° до 45°, добиваясь тем самым оптимального режима работы установки либо останавливая ее полностью.
Таким образом, поток воздействует на лопасть фактически под углом 90°. Один из валов установки имеет натяжное устройство, регулирующее натяжение цепей. Лопасти должны иметь свободу вращения на своих осях, а оси так же свободно вращаться в креплениях к цепям. Между лопастью и местом крепления к цепи на осях должны устанавливаться ролики, которые и будут катиться по неподвижным направляющим, удерживая тем самым цепь постоянно в перпендикулярном положении относительно направления основного потока.



Каждый кубометр - в дело!

Геометрические размеры такой детали, как звездочка (рабочее колесо), для установок любых габаритов желательно выдерживать в пределах 350-500 мм, так как от этого напрямую зависит число оборотов вала. Диаметр самого вала рассчитывается под каждые конкретные нагрузки и условия эксплуатации и колеблется от 25 до 50 мм. Размеры лопастей, их количество, а соответственно, и прочность цепи подбираются в зависимости от ширины и глубины реки, а количество установок по длине реки - от необходимой мощности потребления.

Под принятые характеристики изготавливается соответствующий корпус, желательно из трубы, для получения дополнительной плавучести. Каркас делается разборным, что позволяет собирать его на месте эксплуатации без привлечения грузоподъемных механизмов.

Размеры блоков не ограничены, зависят от необходимой мощности и размеров реки. Например: объем 1 м3 (ширина 1200 мм, глубина 700 мм, длина 1250 мм) позволяет разместить 3 установки с 17 лопастями в каждой, имеющими ширину 150 мм и длину 500 мм (0,075 м2). А так как две лопасти всегда будут находиться на поворотах, то общая рабочая площадь одной установки составит 1,125 м2, а сумма трех в одном каркасе (1 м3 потока) - всего 3,375 м2!

Это позволяет наиболее полно использовать каждый кубический метр потока движущейся среды, а также возникающие центробежное и центростремительное ускорения, значительно увеличивающие как скорость движения потока, так и действие силы тяжести разделенного на секции потока движущейся среды, в нашем случае - реки.



Сломанный комбайн - не металлолом

В отличие от ныне существующих источников электроэнергии данная конструкция приемлема для ручного изготовления, монтажа и обслуживания. Она позволяет использовать комплектующие из отслужившей свой срок техники, например сельскохозяйственной, автотранспорта и т. д. Это многократно удешевляет изготовление изделия.

Установка может быть изготовлена из любых подручных материалов: дерева, пластмассы, алюминия, железа, титана - всего, что угодно. От материала будет зависеть только срок эксплуатации установки, на выработку электроэнергии это никак не повлияет. Стоит также обратить внимание на то, что число оборотов установки довольно низкое (45/60) и работает она постоянно в воде - т. е. износ материалов будет минимальным.

Один из главных вопросов, возникающих у специалистов, - вопрос защиты от ила, мусора и т. д. Все решается очень просто - от бревен, веток и прочего крупногабаритного мусора можно защититься сеткой, а все остальное пройдет через установку.

В зимний период применяется давно используемый плотогонами способ поднятия теплых нижних слоев воды с помощью нескольких бревен перед установкой, имеющих на одном конце груз, а на другом - поплавок. Вода, поднимаясь, размывает во льду необходимое пространство.

По моим расчетам, полная стоимость установки мощностью 20 кВт составит не более 50-120 тыс. руб., т. е. приблизительно до 6000 руб. за 1 кВт. Материалоемкость 1 кВт такой установки в зависимости от используемых материалов будет варьироваться от нескольких сотен граммов (пластмасса) до 2-3 кг (сталь). На монтаж и установку небольшой переносной установки потребуется приблизительно час. Если же речь идет о ГЭС мощностью в несколько мегаватт для крупного города или промышленного предприятия, то монтаж займет от года до трех - в зависимости от того, какие материальные средства будут отпущены".



"Гусеничная" энергия

В заключение хотелось бы привести выдержки из отзыва на изобретение старшего научного сотрудника ФИАН, кандидата физико-математических наук С. Д. Захарова:

"Принципиальная особенность изобретения - трансформация энергии водного потока в энергию поперечного движения цепи типа тракторной гусеницы, в которой прямоугольные пластины-траки ориентированы под углом 45° к направлению течения. Пластины, действуя как паруса, заставляют двигаться цепь, а она вращает колеса, на которые натянута, - налицо обращение идеи гусеничного трактора. Техническое решение привлекает внимание не только оригинальностью, но и внутренней красотой. Каждая из пластин цепи как бы "разлагает" вектор скорости набегающего потока на две равные взаимно перпендикулярные компоненты, которые затем, при надлежащем сдвиге фаз, могут давать круговое вращение.

…Изобретение Н. И. Ленева заслуживает самого пристального внимания и поддержки со стороны лиц, отвечающих за развитие экономики страны. Практическое применение идеи обещает открыть доступ к дешевой энергии из практически неисчерпаемого источника. Не стоит смущаться тем, что некоторые параметры устройства, в особенности расстояние между рядами цепи, размерами и состоянием поверхности пластин, пока не оптимизированы - главное, найден ведущий принцип. Детальное научное обоснование, несомненно, актуально, оно на многое откроет глаза, но должно вестись параллельно, в тесном взаимодействии с инженерными разработками, которые целесообразно включить в планы самых неотложных мероприятий".

Евгений ХРУСТАЛЕВ

В 225 выпуске: Автономная электростанция для ЖКХ