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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Girlande mit Strom. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Die Entstehung von Datschen und sogar Bauernhöfen auf Brachland abseits des Stromnetzes sowie der rasante Anstieg der Preise für Kraftstoff und Strom haben die alten Ideen der autonomen Stromversorgung durch die weit verbreitete Nutzung natürlicher Energie aus Sonne, Wind und Wasser zum Leben erweckt . Insbesondere das Interesse an Mini- und Kleinstwasserkraftwerken hat zugenommen. Der Prototyp für die untersuchten Personen war das frei fließende Girlandenwasserkraftwerk (Modell 1964) von V. Blinov. Die besprochenen Wasserkraftwerke sind Freistromkraftwerke mit einer eher originellen Turbine aus sogenannten Savonius-Rotoren, die auf einer gemeinsamen (vielleicht flexiblen, zusammengesetzten) Arbeitswelle aufgereiht sind. Für ihre Installation sind keine Dämme oder andere große Wasserbauwerke erforderlich. Sie sind in der Lage, auch in flachem Wasser mit voller Effizienz zu arbeiten, was diese Wasserkraftwerke in Kombination mit der Einfachheit, Kompaktheit und Zuverlässigkeit des Designs für Landwirte und Gärtner, deren Grundstücke in der Nähe kleiner Wasserläufe (Flüsse) liegen, sehr vielversprechend macht , Bäche und Gräben).
Im Gegensatz zu Staudämmen nutzen Freiflusswasserkraftwerke bekanntermaßen nur die kinetische Energie des fließenden Wassers. Um die Leistung zu bestimmen, gibt es eine Formel: N=0,5*p*V3*F*n(1), Dabei ist N die Leistung der Arbeitswelle (W), p die Dichte des Wassers (1000 kt/m).3), V – Flussgeschwindigkeit (m/s), F – Querschnittsfläche des aktiven (tauchfähigen) Teils des Arbeitskörpers der hydraulischen Maschine (m2), n ist der Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Wie aus Formel 1 hervorgeht, liegt bei einer Flussgeschwindigkeit von 1 m/s pro Quadratmeter Querschnitt des aktiven Teils der hydraulischen Maschine idealerweise (bei n=1) eine Leistung von nur 500 W vor . Dieser Wert ist für die industrielle Nutzung deutlich gering, für das Nebengrundstück eines Landwirts oder Sommerbewohners jedoch völlig ausreichend. Darüber hinaus kann sie durch den Parallelbetrieb mehrerer „Wasserenergiegirlanden“ erhöht werden. Und noch eine Feinheit. Die Geschwindigkeit des Flusses variiert in den verschiedenen Abschnitten. Bevor Sie mit dem Bau eines Kleinwasserkraftwerks beginnen, müssen Sie daher das Energiepotenzial Ihres Flusses mithilfe einer einfachen Methode ermitteln, die in der ersten Ausgabe des Magazins aus dem Jahr 1996 beschrieben wurde. Erinnern wir uns nur daran, dass die vom Messschwimmer zurückgelegte Strecke geteilt durch die Zeit, die er verstreicht, der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich entspricht. Es ist auch zu beachten: Dieser Parameter ändert sich je nach Jahreszeit. Daher sollten Entwurfsberechnungen auf der Grundlage der durchschnittlichen Flussgeschwindigkeit (über die geplante Betriebsdauer des Kleinwasserkraftwerks) durchgeführt werden. Als nächstes müssen Sie die Größe des aktiven Teils der hydraulischen Maschine und seinen Typ bestimmen. Da die Herstellung des gesamten Kleinstwasserkraftwerks möglichst einfach und unkompliziert sein soll, eignet sich als Konvertertyp am besten ein Savonius-Rotor in End-End-Bauweise. Beim Arbeiten mit vollständigem Eintauchen in Wasser kann der Wert F gleich dem Produkt aus Rotordurchmesser D und seiner Länge L angenommen werden, und n=0,5. Die Rotationsfrequenz f wird mit einer für die Praxis akzeptablen Genauigkeit nach der Formel ermittelt: f=48 V/3,14 D (U/min) (2). Um das Wasserkraftwerk so kompakt wie möglich zu gestalten, sollte die in der Berechnung angegebene Leistung mit der tatsächlichen Last korreliert werden, deren Stromversorgung durch das Kleinstwasserkraftwerk erfolgen sollte (da im Gegensatz zu einer Windkraftanlage der Strom vorhanden sein wird). kontinuierlich an das Verbrauchernetz geliefert). In der Regel wird dieser Strom für die Beleuchtung, den Betrieb von Fernseher, Radio und Kühlschrank verwendet. Darüber hinaus ist nur letzteres den ganzen Tag über ständig in Betrieb. Die restlichen Elektrogeräte funktionieren hauptsächlich abends. Auf dieser Grundlage ist es ratsam, sich auf die maximale Leistung einer „Wasserenergie-Girlande“ von etwa 250-300 W zu konzentrieren und die Spitzenlast mit Hilfe einer Batterie abzudecken, die von einem Mikrowasserkraftwerk geladen wird. Die Übertragung des Drehmoments von der Arbeitswelle eines Wasserkraftwerks auf die Riemenscheibe eines elektrischen Generators erfolgt üblicherweise über ein Zwischengetriebe. Streng genommen kann dieses Element jedoch ausgeschlossen werden, wenn der bei der Konstruktion eines Mikrowasserkraftwerks verwendete Generator eine Betriebsdrehzahl von weniger als 750 U/min aufweist. Auf die direkte Kommunikation muss man allerdings oft verzichten. Tatsächlich liegt die Betriebsdrehzahl zu Beginn der Leistungsabgabe bei der überwiegenden Mehrheit der im Inland hergestellten Generatoren im Bereich von 1500–3000 U/min. Dies bedeutet, dass eine zusätzliche Koordination zwischen den Wellen des Wasserkraftwerks und dem elektrischen Generator erforderlich ist. Nachdem wir nun den vorläufigen theoretischen Teil hinter uns haben, werfen wir einen Blick auf konkrete Designs. Jedes davon hat seine eigenen Vorteile.
Hier handelt es sich zum Beispiel um ein halbstationäres Free-Flow-Kleinstwasserkraftwerk mit einer horizontalen Anordnung von zwei koaxialen, um 90° gegeneinander gedrehten (zur Erleichterung des Selbststarts) und starr verbundenen Querrotoren vom Typ Savonius. Darüber hinaus bestehen die Hauptteile und Komponenten dieses selbstgebauten Wasserkraftwerks aus Holz, dem erschwinglichsten und „gehorsamsten“ Baumaterial. Das geplante Mikrowasserkraftwerk ist tauchfähig. Das heißt, sein Stützrahmen liegt quer zum Gewässergrund und wird mit Abspannseilen oder Stangen verstärkt (wenn sich beispielsweise Gehwege, ein Bootssteg usw. in der Nähe befinden). Dies geschieht, um zu verhindern, dass das Bauwerk vom Wasserlauf selbst mitgerissen wird. Natürlich muss die Tiefe des Flusses am Aufstellungsort des Kleinstwasserkraftwerks geringer sein als die Höhe des Traggerüsts. Andernfalls ist es sehr schwierig (wenn nicht unmöglich), zu verhindern, dass Wasser in den Stromgenerator gelangt. Nun, wenn der Ort, an dem sich das Kleinwasserkraftwerk befinden soll, eine Tiefe von mehr als 1,5 m hat oder große Wassermengen und Fließgeschwindigkeiten vorhanden sind, die im Laufe des Jahres stark schwanken (was übrigens der Fall ist). ganz typisch für schneegespeiste Fließgewässer), dann empfiehlt es sich, diese Konstruktion mit Schwimmkörpern auszustatten. Dadurch kann es auch leicht bewegt werden, wenn es an einem Fluss installiert wird. Der Tragrahmen eines Mikrowasserkraftwerks ist ein rechteckiger Rahmen aus Holz, Brettern und kleinen Baumstämmen, der mit Nägeln und Draht (Kabeln) befestigt wird. Metallteile der Konstruktion (Nägel, Bolzen, Klammern, Winkel etc.) sollten nach Möglichkeit aus Edelstahl oder anderen korrosionsbeständigen Legierungen bestehen. Nun, da der Betrieb eines solchen Kleinwasserkraftwerks unter russischen Bedingungen oft nur saisonal möglich ist (aufgrund des Zufrierens der meisten Flüsse), wird nach Ablauf der Betriebszeit das gesamte an Land gezogene Bauwerk einer gründlichen Inspektion unterzogen . Verrottete Holzelemente und Metallteile, die trotz aller Vorsichtsmaßnahmen verrostet sind, werden zeitnah ersetzt. Eine der Hauptkomponenten unseres Kleinstwasserkraftwerks ist eine „Wasserenergiegirlande“ aus zwei starr befestigten (und auf der Arbeitswelle eine Einheit bildenden) Rotoren. Ihre Scheiben lassen sich problemlos aus 20-30 mm dicken Brettern herstellen. Machen Sie dazu einen Schild daraus und bilden Sie mit einem Zirkel einen Kreis mit einem Durchmesser von 600 mm. Anschließend wird jedes Brett entsprechend der erhaltenen Kurve zugeschnitten. Nachdem die Werkstücke auf zwei Streifen zusammengeschlagen wurden (um die erforderliche Steifigkeit zu erzielen), wiederholen sie alles dreimal – entsprechend der Anzahl der benötigten Scheiben. Für die Lamellen empfiehlt es sich, diese aus Dachblech herzustellen. Und besser - aus zylindrischen rostfreien Behältern (Fässern) geeigneter Größe, die (entlang der Achse) halbiert sind und in denen normalerweise landwirtschaftliche Düngemittel und andere aggressive Materialien gelagert und transportiert werden. Im Extremfall können die Klingen auch aus Holz gefertigt sein. Ihr Gewicht wird jedoch (insbesondere nach einem längeren Aufenthalt im Wasser) deutlich zunehmen. Und dies sollte bei der Errichtung von Kleinstwasserkraftwerken auf Schwimmkörpern beachtet werden. An den Enden der „Wasserenergie-Girlande“ sind Stachelstützen angebracht. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um kurze Zylinder mit breitem Flansch und einem Endschlitz für einen Schlüssel. Der Flansch wird mit vier Schrauben an der entsprechenden Rotorscheibe befestigt.
Um die Reibung zu reduzieren, sind an den mittleren Querträgern Lager angebracht. Und da gewöhnliche Kugel- oder Rollenlager für den Einsatz im Wasser ungeeignet sind, verwenden sie... selbstgebaute Holzlager. Das Design jeder von ihnen besteht aus zwei Klammern und Einlegebrettern mit einem Loch für den Durchgang einer Zapfenstütze. Zudem sind die mittleren Lagerschalen so positioniert, dass die Holzfasern hier parallel zur Welle verlaufen. Darüber hinaus wird durch besondere Maßnahmen dafür gesorgt, dass die Einlegeplatten stabil gegen seitliche Bewegungen fixiert sind. Dies geschieht mittels Spannschrauben. Als Stromgenerator wird im betrachteten Mikrowasserkraftwerk jeder Autogenerator eingesetzt. Sie erzeugen 12–14 V Gleichstrom und können problemlos sowohl an eine Batterie als auch an Elektrogeräte angeschlossen werden. Die Leistung dieser Maschinen beträgt etwa 300 W.
Auch der Entwurf eines tragbaren Kleinstwasserkraftwerks mit vertikaler Anordnung einer „Girlande“ und eines Generators ist für die Eigenproduktion durchaus akzeptabel. Ein solches Wasserkraftwerk ist laut dem Autor der Entwicklung am wenigsten materialintensiv. Die tragende Struktur der Anlage, die ihre Position im Flussbett fixiert, ist ein hohler Stahlstab (z. B. aus Rohrstücken). Seine Länge richtet sich nach der Beschaffenheit des Gewässerbodens und der Strömungsgeschwindigkeit. Darüber hinaus würde das scharfe Ende der Stange, das in den Boden getrieben wird, die Stabilität des Kleinwasserkraftwerks und seine Nichtstörung durch die Strömung gewährleisten. Auch eine zusätzliche Nutzung von Dehnungsstreifen ist möglich. Nachdem die aktive Oberfläche des Rotors mithilfe der Formel (1) ermittelt und die Tiefe des Flusses am Aufstellungsort des Kleinwasserkraftwerks gemessen wurde, lässt sich der Durchmesser der hier verwendeten Savonius-Rotoren leicht berechnen. Um die Konstruktion einfach und selbststartend zu gestalten, empfiehlt es sich, eine „Wasserenergie-Girlande“ aus zwei Rotoren herzustellen, die so verbunden sind, dass die Rotorblätter des ersten um 90° relativ zum zweiten (entlang der Rotationsachse) versetzt sind. Um die Betriebseffizienz zu erhöhen, ist die Struktur auf der Anströmseite außerdem mit einem Schild ausgestattet, der die Rolle einer Leitschaufel übernimmt. Nun, die Arbeitswelle ist in den Gleitlagern der oberen und unteren Stützen gelagert. Grundsätzlich können für eine kurze Betriebszeit eines Kleinstwasserkraftwerks (z. B. auf einer Wandertour) Kugellager mit großem Durchmesser eingesetzt werden. Befindet sich jedoch Sand oder Schlamm im Wasser, müssen diese Geräte nach jedem Gebrauch mit klarem Wasser abgewaschen werden. Abhängig vom Gewicht der „Wasserenergie-Girlande“ und der Notwendigkeit, sie in Einzelteile zu zerlegen, werden die Stützen mit der Stange verschraubt und verschweißt. Das obere Ende der Arbeitswelle der hydraulischen Maschine ist auch die Eingangswelle des Multiplikators, der (als einfachste und technologisch fortschrittlichste) als Riemenwelle verwendet werden kann. Der Stromgenerator stammt wiederum aus einem Auto. Die Befestigung an der Stützstange erfolgt einfach mit einer Klemme. Und die vom Generator kommenden Leitungen selbst müssen zuverlässig wasserdicht sein. In den Abbildungen werden die genauen geometrischen Proportionen des Zwischengetriebes nicht dargestellt, da diese von den Parametern des jeweiligen Generators abhängen. Nun, Antriebsriemen können aus einem alten Autoschlauch hergestellt werden, indem man ihn in 20 mm breite Streifen schneidet und ihn dann zu Bündeln verdreht. Für die Stromversorgung kleiner Dörfer eignet sich ein von V. Blinov entworfenes Girlanden-Mikrowasserkraftwerk, das nichts anderes als eine Kette tonnenförmiger Savonius-Rotoren mit einem Durchmesser von 300-400 mm ist, die an einem flexiblen, gespannten Kabel befestigt sind über den Fluss. Ein Ende des Kabels ist an der Gelenkhalterung befestigt, das andere über einen einfachen Multiplikator an der Generatorwelle. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,5-2,0 m/s erreicht die Rotorkette bis zu 90 U/min. Und die geringe Größe der Elemente der „Wasserenergie-Girlande“ ermöglicht den Betrieb dieses Kleinwasserkraftwerks an Flüssen mit einer Tiefe von weniger als einem Meter. Es muss gesagt werden, dass es V. Blinov vor 1964 gelang, mehrere tragbare und stationäre Mikrowasserkraftwerke nach eigenem Entwurf zu errichten, von denen das größte ein Wasserkraftwerk war, das in der Nähe des Dorfes Porozhki (Region Twer) errichtet wurde. Ein Girlandenpaar trieb hier zwei handelsübliche Auto- und Traktorgeneratoren mit einer Gesamtleistung von 3,5 kW an. Autor: I.Dokukin
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