×
Сделать запрос

Тип заявки:


Раздел:


Подраздел:




 

Рекомендуем


 

 





Каталог статей
Строительный портал / Каталог статей / Электроснабжение, электрооборудование / Микро-ГЭС – электроэнергия от водного протока (часть первая)

Микро-ГЭС – электроэнергия от водного протока (часть первая)


Микро-ГЭС – электроэнергия от водного протока (часть первая)

На территории современной Российской Федерации первые микро-ГЭС создавались в середине прошлого века, в послевоенные годы. Всего за шесть лет, начиная с 1946 года, в СССР было построено порядка семи тысяч малых гидроэлектростанций, вырабатывающих ежегодно несколько сотен мегаватт электроэнергии. Но к началу 60-х годов XX века руководство Советского Союза потеряло интерес к микро-ГЭС – приоритетным направлением в энергетике был признан «мирный атом». В результате значительная часть действующих микро-ГЭС прекратили свою работу и оказались в заброшенном состоянии, в котором находятся по настоящее время.

Характеристики малых ГЭС

В отличие от крупнейших российских гидроэлектростанций, ежегодно вырабатывающих многие гигаватты электроэнергии, производительность их младших собратьев значительно скромнее: мощность микро-ГЭС не превышает 100 кВт; пико-ГЭС – до 5 кВт. Вторым значимым отличием маломощных гидроагрегатов является отсутствие плотины в месте их размещения – получить разрешение в надзорных госорганизациях на перекрытие русла любого водоема, независимо от дистанции между берегами, с целью подъема уровня воды фактически невозможно.

Важно: Каждый и любой водоем на территории Российской Федерации, за исключением тех, что находятся в пределах частных земельных участков (кроме рек и ручьев), принадлежит государству и находится под его охраной (Водный кодекс РФ). Соответственно, любые попытки внесения изменений в русло водоема без разрешения властей – нарушение федеральных законов.

Производство электроэнергии малыми ГЭС ведется по тому же принципу, что и у их мегаваттных аналогов – вода из водоема направляется к лопастям гидротурбины и вращает ее, а та передает механическую работу ротору гидрогенератора, вырабатывающего электрический ток.

Мощностные характеристики турбины несколько выше, чем у гидрогенератора, объединенных вместе в один гидроагрегат. Тип гидротурбины определяется по высоте напора воды:

  • при высоком напоре (свыше 60 м) используются радиально-осевые и ковшовые турбины;
  • при среднем напоре (от 25 до 60 м) ГЭС оснащают радиально-осевыми и поворотнолопастными турбинами;
  • при низком напоре (более 3, но менее 25 м) механическую работу осуществляют поворотнолопастные модели турбин, заключенные в металлические или бетонные камеры.

Заброшенная мини-ГЭС

Выбор гидрогенератора для микро-ГЭС зависит от потребителей производимой ею электроэнергии. Если предполагается запитывать приборы с активной нагрузкой, т.е. полностью преобразующие поступающую электроэнергию в ее иную форму (свет, тепло и т.п.), то подойдут асинхронные альтернаторы. Но в том случае, если в сети присутствуют электроприборы с реактивной нагрузкой (любые насосы и электродвигатели), возвращающие часть электрической энергии обратно в генератор, то справиться с этим может лишь синхронный генератор. Реактивная нагрузка на асинхронный альтернатор в конструкции микро-ГЭС промышленного изготовления компенсируется блоками возбуждения и балластным.

Прежде, чем перейти к изучению характеристик известных типов мини-ГЭС и пико-ГЭС, рассмотрим их общие достоинства и недостатки.

 

Плюсы микро-ГЭС:

  • генерация электроэнергии происходит от возобновляемого источника, более стабильного, чем солнечный свет и ветер;
  • близость к конечному потребителю, энергетические потери на транспортировку при этом минимальны либо отсутствуют;
  • низкая стоимость электроэнергии, с учетом нулевых затрат на исходное топливо;
  • полное отсутствие каких-либо выбросов в атмосферу, минимальное воздействие на водные бассейны;
  • выход на полную мощность у малых гидроэлектростанций занимает меньше времени, чем у генераторов на нефтепродуктах;
  • вдали от центральных сетей энергоснабжения лишь малые ГЭС способны обеспечивать потребителей электроэнергией бесперебойно, т.к. не зависят от регулярных поставок горючего.

Минусы малых гидроэлектростанций:

  • русла небольших рек и ручьев часто пересыхают летом и промерзают зимой;
  • производительность мини-ГЭС связана с напором воды и ее количеством. Чтобы обеспечить свой дом электроэнергией в полном объеме, может потребоваться создание запруды выше по руслу водоема – но это нарушение законодательства РФ;
  • строительство полноценной, пусть даже и небольшой гидроэлектростанции, способной исправно снабжать загородный коттедж электрической энергией круглый год, обходится недешево.

 

 

Бесплотинные микро-ГЭС

Достоинство бесплотинных малых гидроэлектростанций – они дешевы и просты в установке, их установка не требует согласования с государственными органами. Их общие недостатки: низкая производительность (не более 5 кВт, обычно до 2 кВт); необходимо достаточное расстояние между берегами реки и глубина более полуметра; повреждения при столкновении с плавающими объектами (чаще – c фрагментами деревьев); невозможность использования зимой ввиду обледенения водоема. Рассмотрим несколько наиболее интересных вариантов малых ГЭС.

Гирляндная мини-ГЭС. Полуметровые крыльчатки пропеллеров изготавливаются из 0,5-0,7 мм оцинковки, их нанизывают и закрепляют на 10-15 мм стальном тросе – он становится приводным валом для генератора. Трос закрепляется подшипниковым соединением на металлической стойке на одном берегу, а на другом крепится к валу генераторного ротора. По расчетам ее разработчика Бориса Сергеевича Блинова, на реке со скоростью течением порядка 2,5 м/с каждый гидроагрегат гирляндной микро-ГЭС произведет в среднем от 1,5 до 2 кВт. О действующих моделях такой гидроэлектростанции толком ничего не известно, поэтому судить о ее реальной эффективности сложно.

Недостатки гирляндной гидроэлектростанции: высокая материалоемкость; невысокий КПД; создание препятствия для движения по реке (по сути – это та же плотина).

Рукавная микро-ГЭС. Ее создал также Б.С. Блинов – разработка велась им в 70-х годах прошлого века одновременно с гирляндной гидроэлектростанцией. 

Турбина рукавной мини-ГЭС

Ее преимущество заключается в возможности использования малых водоемов – для выработки электроэнергии достаточным будет ручей, чей дебет воды превышает 50 л/с и чье русло имеет перепад высот более 5 м. Забор воды производится с помощью сужающейся трубы, широкий верх которой подведен к наиболее быстрой части течения, а в ее нижней части расположена гидротурбина. В СССР рукавные микро-ГЭС пользовались спросом и их производили на заводах, но ближе к 90-м выпуск был прекращен. Начиная с 2000 года предпринимались неоднократные попытки наладить серийный выпуск рукавных микро-ГЭС, однако спрос на них невелик – вероятно, причина в малой известности этих гидроагрегатов.

Мини-ГЭС Н.И. Ленева. Алтайский изобретатель Николай Иванович построил свою мини-ГЭС в конце 90-х, патент на нее получил в 2001 году. Конструкция основана на двух рядах плоских, прямоугольных лопастей, каждая разделена осью на неравные друг к другу части, большая из которых выступает обратно направлению потока воды. Такое смещение центра, по словам Ленева, уменьшает турбулентность вокруг лопаток, осевые штыри которых закреплены сверху и снизу на цепях. Под воздействием водного потока цепи с закрепленными на них лопастями вращаются, приводя в движение два вала, распложенных вертикально, при помощи звездчатых колес. Производимая ими работа при помощи промежуточного вала и муфты сообщается гидрогенератору. Производительность микро-ГЭС Ленева, как утверждают разработчики, приобретшие права на изготовление, составит от 2 до 20 кВт (в зависимости от модели).

Следует заметить, что, несмотря на заявленные в прессе многократные продажи моделей микро-ГЭС Ленева, результаты их испытаний и сведенья по фактической эксплуатации ни разу не публиковались.

Гравитационная (водоворотная) микро-ГЭС. В отличие от разработок советских и российских изобретателей малая гидроэлектростанция австрийского инженера Франца Цотлетерера, запатентованная им в 2003 году, привлекла внимание предпринимателей Евросюза и России. Созданная Цотлетерером водоворотная микро-ГЭС базируется на ранних проектах вихревых гидроэлектростанций, над которыми работали американец Кенард Браун в 60-х и австралиец Пол Коурус в 90-х. По сравнению с американской и австралийской микро-ГЭС, Франц Цотлетерер добился двукратного прироста КПД – 76-80% против прежних 35-40%.

Вихревая микро-ГЭСАвстрийский изобретатель отвел часть воды из ручья в бетонный желоб, построенный вдоль береговой линии. Канал завершается бетонным цилиндром, внизу которого выполнено выпускное отверстие с желобом-отводом. Вода поступает цилиндр по касательной и, подчиняясь силе гравитации, стремится вниз, закручиваясь по спирали – в центре находится турбина, ее то и раскручивает водоворот (среднее число оборотов турбины – 30 об/мин). На водоворотной микро-ГЭС, построенной на ручье с перепадом высоты в 1,3 м и при расходе воды 0,9 м3/с, максимальная мощность составила 9,5 кВт, выработка за год – порядка 35000 кВт/ч. Благодаря постоянному вращению воды гравитационно-вихревая гидроэлектростанция исправно работает в зимнее время – в центре воронки поток воды наиболее плотный и его температура примерно равна 4оС, а формирующаяся по краям бетонного цилиндра корка льда препятствует охлаждению воды в центре, экранируя тепло обратно в воду.

Недостатки водоворотной микро-ГЭС Франца Цотлетерера: стоимость, с учетом бетонных работ, более 100000$ (что, впрочем, дешевле строительства плотинной ГЭС); ограниченная мощность – до 150 кВт. Проект австрийца находится на стадии разработки, поскольку добиться стабильно высокой мощности на выходе пока не удается.

Производители и цены

На российском рынке микро-ГЭС поставляют отечественные компании Ecoteco (Санкт-Петербург), «МНТО ИНСЭТ» (Санкт-Петербург), НПО «Инверсия» (Екатеринбург), ООО «Спецэнергоснаб» (Москва), а также украинская ПП «Аванте» (Киев).

 

Рассмотрим характеристики, к примеру, рукавной микроГЭС10Пр, выпускаемой «МНТО ИНСЭТ»:

  • напор воды – min 2-4,5 м, max – 4,5-10 м;
  • расход воды – min 0,07-0,14 м3/с, max – 0,095-0,2 м3/с;
  • производимая мощность – min до 4 кВт, max – до 10 кВт;
  •  частота вращения – min 1000 об/мин, max – 1500 об/мин;
  • напряжение – 400 В (диапазон перепадов от 425 до 450 В);
  • частота тока – 50 Гц (диапазон перепадов от 48 до 52 Гц);
  • рабочее колесо, диаметр – 235 мм;
  • подводящий трубопровод, диаметр – 300 мм.

Ее комплектация:

  • энергоблок (поворотнолопастная гидротурбина и асинхронный генератор), вес 180 кг;
  • шкаф с блоком балластной нагрузки, вес 70 кг;
  • блок возбуждения (автоматического регулирования), вес 70 кг;
  • конструкция водозабора, 35 кг. 

Расценки на модели малых гидроэлектростанций составляют порядка 1500$ за киловатт установленной мощности.

В завершении

Территория Российской Федерации охвачена сетями центрального электроснабжения не более чем на треть, причем доступ к электроэнергии отсутствует не только на территории Сибири, но и в сельских районах Урала. Отказ от дальнейшего строительства АЭС, потенциально опасных для экологии и населения, привел к длительной паузе в планировании действий, направленных на обеспечение населенных пунктов электричеством. Между тем у России имеется значительный потенциал в области малой гидроэнергетики, но для его реализации необходима поддержка на федеральном уровне. К примеру, в некоторых странах Евросоюза и в Белоруссии действуют государственные программы выкупа электроэнергии, произведенной малыми ГЭС, по двойному тарифу.

Во второй части материала о микро-ГЭС мы рассмотрим условия, подходящие для создания малой гидроэлектростанции, а также способы ее построения своими руками. 

07.03.2014
Автор текста: Абдюжанов Рустам
Добавил: Рустам Абдюжанов



Понравилась статья? Поделись с друзьями:


Данный текст статьи защищен авторскими правами! Любое копирование возможно, только после письменного согласия администрации.








Другие статьи по этой теме:

Солнечные батареи – энергия Солнца в электричество (часть первая)
Солнечные батареи – энергия Солнца в электричество (часть первая)

В этой статье: как были созданы первые фотоэлементы; история развития солнечной энергетики; устройство и принцип работы солнечных батарей; как устроен фотоэлемент; типы и характеристики фотоэлементов.

Звезда, занимающая центр нашей планетарной системы, обогревает и освещает Землю многие миллионы лет. Солнце ежесекундно производит колоссальный объем энергии, часть которой можно использовать для выработки электрокиловатт, так необходимых нашим домам. Рассмотрим, насколько реальна реализация идеи независимого электроснабжения загородного дома от солнечных батарей.
 

Микро-ГЭС – электроэнергия от водного протока (часть вторая)
Микро-ГЭС – электроэнергия от водного протока (часть вторая)

В этой статье: два «кита» гидроэнергетики – напор и расход воды; самостоятельный расчет напора; рассчитываем расход воды в водотоке; определение мощности водного потока; конструкция и характеристики пико-ГЭС, построенной своими руками.

«Энергетический голод» побуждает владельцев загородной недвижимости искать иные источники энергии, чем центральные сети. Близость водоема с текучей водой наводит на мысль использовать эту энергию для выработки электричества. Вращала ведь раньше вода колеса мельниц, почему бы не использовать ее для вращения ротора в генераторе? Исследуем возможности использования водотока с целью производства электрической энергии, а также вопросы, касающиеся построения микро и пико-ГЭС.
 

Мини-ТЭЦ – источник тепла и света в загородном доме
Мини-ТЭЦ – источник тепла и света в загородном доме

В этой статье: как устроена мини-ТЭЦ; принцип когенерации; характеристики газопоршневой мини-теплоцентрали; плюсы и минусы микротурбинной ТЭЦ; мини-ТЭЦ с двигателем Стирлинга; топливные элементы и их характеристики.
Значительную долю электрической и тепловой энергии в России производят теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Только вот ориентирована их деятельность на густо заселенные территории и крупные промышленные районы, где потребителей всегда в избытке. Однако владельцы загородных домов в коттеджных поселках, удаленных от центральных сетей коммунального снабжения, могут решить проблему с электроэнергией, отоплением и даже охлаждением при помощи мини-ТЭЦ с функциями когенерации и тригенерации.
 

Автономный дом. Часть вторая – двигатель для электрогенератора
Автономный дом. Часть вторая – двигатель для электрогенератора

В этой статье: бензиновый генератор; характеристики двух и четырехтактных ДВС; бензин для электрогенераторной установки; дизельный генератор – плюсы и минусы; преимущество жидкостного охлаждения перед воздушным; газовый генератор – интересен, но сложен в эксплуатации; обзор производителей и поставщиков газовых электрогенераторов.

Независимо от типа конструкции, количества фаз, импульса, а также синхронного либо асинхронного вращения ротора по отношению к статору, альтернатор не может вырабатывать электроэнергию самостоятельно – ему необходим привод. Возможно, в будущем появятся небольшие моторы на ядерном топливе, но сегодня доступны лишь двигатели внутреннего сгорания на бензине, солярке или газе.