×
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:

Защита электросетей
Защита электросетей

С тех пор, как место пробок и «жучков» заняли автоматические защитные устройства, статистика травматических случаев поражения электрическим током со смертельным исходом резко пошла вниз, равно как и пожаров по причине коротких замыканий.

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.
 

Микро ГЭС- методика расчёта
Микро ГЭС- методика расчёта

Предлагаемая статья может послужить подспорьем для тех, кто хочет рассчитать и построить микро ГЭС. Для расчёта достаточно математики в пределах школьной программы и калькулятора. Все промежуточные расчёты можно опустить и использовать окончательные формулы. Руководствуясь методикой, изложенной в статье, были построены: на охотничьем участке ГЭС мощностью 60 Вт (работает более 27 сезонов); в Саяно-Шушенском заповеднике на кордоне "Таловка" ГЭС мощностью 0,6 кВт (работает 12 лет); на кордоне "Малая Голая" ГЭС мощностью 2,5 кВт (работает 26 лет); турбаза "Снежный барс" ГЭС мощностью 15 кВт (работает 16 лет) и другие.

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.