Неторопливые колёса
Когда-то водяные колёса напрямую преобразовывали энергию воды во вращение мельничных жерновов и валов в других механизмах; с появлением паровых машин потребность в таком приводе несколько сократилась, а с приходом электрического двигателя вновь выросла, но теперь задача решается на новом, более высоком технологическом уровне - с помощью гидроагрегатов. Водяные колёса традиционных типов работают главным образом в развивающихся странах Азии и Африки, в Европе же сохранились по большей части музейные экспонаты. Однако в последние десятилетия там наметилась интересная тенденция - модернизация старых колёс для использования, как правило, в составе микроГЭС.
Например, на сайте немецкой компании HydroWatt приведены краткие описания трёх с лишним десятков проектов, реализованных ею с 1998 по 2017 год. Также сказано, что подобные решения есть смысл рассматривать для мощности до 20 кВт и напора ниже 8 м. Конечно, водяные колёса вращаются сравнительно медленно, поэтому электрогенератор нужно подключать через мультипликатор с большим передаточным числом, зато они просты в управлении и сохраняют неплохую эффективность при сильных вариациях напора. Ещё один важный плюс для потребителя - эстетичность: вращающееся колесо выглядит куда привлекательнее, чем какой-нибудь закрытый гидроагрегат или просто заброшенная водяная мельница. При случае его можно показать туристам как местную достопримечательность, да и деньги, сэкономленные на оплате счетов за электроэнергию, лишними определённо не будут.
Немного теории
Различают три основных типа водяных колёс с горизонтальной осью: нижнебойное (подливное), среднебойное и верхнебойное (наливное).
Нижнебойное колесо - самое простое и, возможно, самое древнее: оно слегка опущено в воду и вращается силой течения. КПД не превышает 35%, поэтому компания HydroWatt с такими колёсами не работает. Среднебойное колесо устанавливается так, чтобы вода падала в его ковши на уровне оси и продолжала давить на них, протекая по дну; лучшие модификации этой конструкции позволяют получить КПД свыше 60% (по некоторым сведениям - до 75%). На верхнебойное колесо вода падает сверху, его КПД может доходить до 80% и даже выше. Самое большое в Европе верхнебойное колесо сооружено под водопадом в деревне Абердулайс в Южном Уэльсе; оно имеет диаметр восемь метров и обеспечивает работу генератора на мощности до 20 кВт.
Новая старая мельница
Здание бывшей крупорушки «Лидиа-Милл» в Южном Бренте (графство Девон в Юго-Западной Англии) с начала 1960-х использовалось как жилой дом, до этого успев послужить колёсной мастерской. В 2006 году владельцы и арендаторы здания договорились о восстановлении верхнебойного водяного колеса диаметром около 3,6 м для выработки электроэнергии, и проект стартовал.
Старое колесо - увы, единственный оставшийся элемент из механизмов крупорушки - стояло на своём месте, потрескавшееся, с поломанными ковшами, покрытое слоем ила и заросшее травой. Несмотря на плачевное состояние, ремонт был теоретически возможен, но участники проекта не смогли прийти к единому мнению о выборе материала. Обсудив ситуацию с Полом и Ингрид Бромли из благотворительного лесоохранного фонда Pedley Trust, они осмотрели спроектированное разработчиками фонда водяное колесо в Чешире и решили заказать аналогичное.
Для привода генератора колесо в «Лидиа-Милл» должно было вращаться быстрее, чем требовалось для измельчения зерна, а из-за этого вода расплёскивалась бы. Бромли предложили использовать ускоренную подачу воды узким потоком - так, чтобы она лилась из жёлоба со скоростью, немного превышающей линейную скорость обода колеса, и это в итоге дало желаемый эффект.
Колесо модульной конструкции по проекту Pedley было изготовлено на заводе компании Congleton Engineering, редуктор к нему поставила фирма Exeline Engineering, а генератор и систему управления - Sustainable Control Systems. Жёлоб от компании Rattery Sawmill выполнен как «лодка наизнанку»: снаружи - слой лодочной фанеры со стрингерами жёсткости, внутри - стеклопластик. Управляющая заслонка ездит по тефлоновым полозьям, а привод для неё взят от спутниковой антенны и переделан на взаимодействие с контроллером SCS.
Оборудование прибыло на площадку в сентябре 2009-го, и во время пробного пуска оказалось, что когда ковш ударяется о заднюю сторону водяной струи, закреплённое на антивибрационной подставке колесо звенит, словно колокол. Проблему решили, надставив жёлоб пластиной с V-образной прорезью: удары смягчились, звон прекратился. Методом проб и ошибок подобрали оптимальную высоту размещения жёлоба над колесом. С шумом редуктора бороться не стали, так как он совсем слабый и не создает неудобств, и 31 марта 2010 года система была запущена в эксплуатацию. При мощности 1,8 кВт она помогла обитателям дома примерно вдвое сократить расходы на электроэнергию.
Колёсно-заливные луга
В старой речной пойме близ Глаттфельдена (кантон Цюрих, Швейцария) водяное колесо не вырабатывает электроэнергию, а только подаёт воду в ирригационную систему. Оно - элемент масштабного культурно-экологического проекта по возрождению средневековой ирригационной технологии, финансируемого аэропортом Цюриха. Когда-то водяные колёса обеспечивали крестьянам обильные сенокосы на лугах, а сегодня такое колесо по замыслу авторов проекта будет способствовать улучшению природного и культурного ландшафта равнины Хундиг. Первостепенное значение придаётся созданию «как можно лучших условий для жизни редких видов растений и животных», и на экспериментальном орошаемом участке, оборудованном к весне 2019 года, уже увеличивается биоразнообразие.
Согласно сообщению швейцарского федерального НИИ материаловедения (EMPA), основные работы, включая установку и запуск восьмитонного черпачного колеса, предполагалось завершить в ноябре 2022 года с тем, чтобы уже нынешней весной пустить воду на заливные луга.
В бюллетене EMPA рассказывается о препятствиях, мешавших ввести колесо в работу, и о том, как их преодолевали. Сначала авторам проекта не хватало данных о рельефе речного дна, а когда необходимые измерения были наконец сделаны, выяснилось, что у речного русла в месте установки колеса недостаточный уклон. Его увеличили с помощью двух тридцатисантиметровых ступенек выше и ниже колеса, так что суммарный уклон русла в этом месте составил почти метр. Однако и этого было мало, поскольку в первоначальные расчёты вкралась серьёзная ошибка. Разработчики сильно переоценили КПД механизма, приняв его равным 90% (как мы уже отметили, для нижнебойных колёс, которые вращаются за счёт кинетической энергии течения, КПД обычно не превосходит 35%). Решением стало искривление стальной подошвы под колесом - скатываясь по ней, вода ускоряется, и её энергия передаётся колесу.
Хочется надеяться, что у швейцарцев всё получится. Можно заметить, что в обоих примерах разработчики водяных колёс действовали скорее по наитию, чем основываясь на каких-то теоретических выкладках. Наверное, здесь есть поле для деятельности теоретиков и популяризаторов малой гидроэнергетики.
Читайте другие наши материалы
