Малая гидроэнергетика В России энергетический потенциал малых рек…: kolybanov — LiveJournal. Большое будущее малых гэс Энергетическое оборудование мгэс
В малых, микро- или нано-ГЭС сочетаются преимущества большой ГЭС с одной стороны и возможность децентрализованной подачи энергии с другой стороны. Они не имеют многих недостатков, характерных для больших ГЭС, а именно: дорогостоящие трансмиссии, проблемы, связанные с негативным воздействием на окружающую среду. Кроме того, использование малой гидроэнергетики ведёт к децентрализованному использованию электроэнергии, способствует развитию данного региона, главным образом основанном на самодостаточности и использовании местных ресурсов.
Большинство из них не имеют больших водохранилищ, то есть вода не собирается позади дамбы. Они вырабатывают электроэнергию, если естественный уровень воды в реке достаточен, но в периоды высыхания реки или падения скорости потока ниже определенной величины производство электроэнергии приостанавливается.
Высокие капитальные затраты - самый большой барьер на пути широкомасштабного развития малой гидроэнергетики. Однако, несмотря на этот факт и длительный срок окупаемости (7-10 лет в некоторых странах, например в Словакии), малые ГЭС являются рентабельными из-за их продолжительного срока службы (более 70 лет) и низких затрат на техническое обслуживание.
Малая гидроэнергетика
1. Формулировка проблемы по рассматриваемому методу (технологии) повышения энергоэффективности; прогноз перерасхода энергоресурсов, или описание других возможных последствий в масштабах страны при сохранении существующего положения
Технологии:
Объекты малой гидроэнергетики условно делят на два типа: «мини» - обеспечивающие единичную мощность до 5000 кВт, и «микро» - работающие в диапазоне от 3 до 100 кВт. Использование гидроэлектростанций таких мощностей для России вовсе не новое, а хорошо забытое старое: в 50-60-х гг. в стране работало несколько тысяч малых ГЭС. Сегодня их количество едва достигает нескольких сотен штук.
Гидроагрегаты для малых ГЭС предназначены для эксплуатации в широком диапазоне напоров и расходов с высокими энергетическими характеристиками. «Экологическая чистота» малых ГЭС проявляется прежде всего в гораздо меньших площадях затоплений и подтоплений, плотины и водохранилища малых ГЭС в значительно меньшей степени, чем другие виды энергообъектов нарушают нормальную естественную среду обитания человека и животного мира.
Вопросы развития малой гидроэнергетики широко освещаются в литературе, СМИ, на конференциях, конгрессах и т.д.
В России до 2015 года планируется ввести в эксплуатацию 65 малых гидроэлектростанций (18 - на территории Республики Тува, 35 - в Республике Алтай, 12 - в Бурятии). Разработана концепция развития и схема размещения объектов малой гидроэнергетики для этих республик. Уже построены две станции и ведется строительство еще трех. Микро-ГЭС в Туве была построена в 1995 г. на курорте Уш-Белдир, в 2001 г. была введена в строй микро-ГЭС «Кызыл-Хая».
2. Краткое описание предлагаемого метода, его новизна и информированность o нём, наличие программ развития; результат при массовом внедрении в масштабах страны
В России более чем на 80 крупных водохранилищах не сооружены ГЭС. По предварительным оценкам 58% средних и еще 90% небольших водохранилищ (а это 20 и 1 млн м3 соответственно) не используются для выработки электроэнергии. Очевидно, что первоочередными объектами рассмотрения должны быть существующие и незадействованные гидроузлы.
В настоящее время разработана методика определения эффективности и программы освоения энергетического потенциала малых водостоков. Микро-ГЭС в основном предназначены для покрытия местных нужд и изолированной работы от энергосистем.
Малые ГЭС в настоящее время могут быть рентабельными при упрощении схемы их управления (например, за счет балластной нагрузки) и работы без обслуживающего персонала. Эффективность микро ГЭС может быть повышена за счет многоцелевого использования ее сооружений, а также при выдаче мощности в местную сеть (без протяженных высоковольтных линий). При работе микро-ГЭС на изолированную нагрузку возникает необходимость регулирования частоты и напряжения. Если водохранилище имеет достаточную емкость, можно обеспечивать суточное и недельное регулирование, в противном случае рекомендуется регулирование с помощью балластной нагрузки.
По данным МНТО «ИНСЭТ» (г. Санкт-Петербург) при строительстве малой ГЭС установленной мощностью около 500 кВт стоимость строительно-монтажных работ составляет порядка 14,5-15,0 млн руб. При совмещенном графике разработки проектной документации, изготовления оборудования, строительства и монтажа малая ГЭС вводится в эксплуатацию за 15-18 месяцев. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на подобной ГЭС, составляет не более 0,45-0,5 рублей за 1 кВт×ч, что в 1,5 раза ниже, чем стоимость электроэнергии, фактически реализуемой энергосистемой. Таким образом, затраты на строительство окупятся за 3,5-5 лет.
3. Прогноз эффективности метода в перспективе c учётом:
- роста цен на энергоресурсы;
- роста благосостояния населения;
- введением новых экологических требований;
- других факторов.
Прогноз эффективности:
Снижение стоимости вырабатываемой электроэнергии;
- дополнительные мощности в энергодефицитных регионах.
4. Перечень групп абонентов и объектов, где возможно применение данной технологии c максимальной эффективностью; необходимость проведения дополнительных исследований для расширения перечня
Большее число микро-ГЭС может быть построено на эксплуатируемых и намеченных к сооружению водоснабжающих и ирригационных гидроузлах и их сооружениях (быстротоки, гасители энергии, пороги, отклонители), на водосборных каналах и системах каптажа крупных гидроузлов.
В системах водоснабжения на участках трассы с большой разницей отметок поверхности вместо различного рода шахтных сопряжений, энергогасителей и других сооружений могут быть построены микро-ГЭС. При расходах воды в пределах от 5 до 100 л/с их мощность может достигать от 20 до 200 кВт.
5. Наличие технических и других ограничений применения метода на различных объектах; при отсутствии сведений по возможным ограничениям необходимо их определить проведением испытаний
Причины законодательного характера: отсутствие соответствующих государственных приоритетов и объективных стимулов для развития данных технологий.
Технологические ограничения (подробнее см. п. 7):
Сезонность работы электростанций;
- проблемы заиления водохранилищ;
- проблемы разрушения плотины и гидроагрегатов в результате перелива через гребень плотины при неожиданном подъеме уровня воды и несрабатывании запорных устройств.
Среди факторов, тормозящих развитие малой гидроэнергетики в России, большинство экспертов называют неполную информированность потенциальных пользователей о преимуществах применения небольших гидроэнергетических объектов; недостаточную изученность гидрологического режима и объемов стока малых водотоков; низкое качество действующих методик, рекомендаций и СНиПов, что является причиной серьезных ошибок в расчетах; неразработанность методик оценки и прогнозирования возможного воздействия на окружающую среду и хозяйственную деятельность; слабую производственную и ремонтную базу предприятий, производящих гидроэнергетическое оборудование для МГЭС, а массовое строительство объектов малой гидроэнергетики возможно лишь в случае серийного производства оборудования, отказа от индивидуального проектирования и качественно нового подхода к надежности и стоимости оборудования - по сравнению со старыми объектами, выведенными из эксплуатации.
Ограничения по применению технологий.
Многие из малых ГЭС не всегда обеспечивают гарантированную выработку энергии, являясь сезонными электростанциями. Зимой их энергоотдача резко падает, снежный покров и ледовые явления (лед и шуга) так же, как и летнее маловодье и пересыхание рек могут вообще приостановить их работу. Сезонность малых ГЭС требует дублирующих источников энергии, большое их количество может привести к потере надежности энергоснабжения. Поэтому во многих районах мощность малых ГЭС рассматривается не в качестве основной, а в качестве дублирующей.
У водохранилищ малых ГЭС, особенно горных и предгорных районов, очень остро стоит проблема их заиления и связанная с этим проблема подъема уровня воды, затоплений и подтоплений, снижения гидроэнергетического потенциала рек и выработки электроэнергии. Известно, например, что водохранилище Земонечальской ГЭС на реке Куре было заилено на 60% в течение 5 лет.
Для рыбного хозяйства плотины малых ГЭС менее опасны, чем средних и крупных, перекрывающих миграционные пути проходных и полупроходных рыб и перекрывающих нерестилища. Хотя в целом создание гидроузлов не устраняет полностью урон рыбному стаду на основных реках, т.к. речной бассейн - это единая экологическая система и нарушения ее отдельных звеньев неизбежно отражаются на системе в целом.
6. Существующие меры поощрения, принуждения, стимулирования для внедрения предлагаемого метода и необходимость их совершенствования
Для использования технологии меры поощрения, понуждения отсутствуют.
7. Необходимость разработки новых или изменения существующих законов и нормативно-правовых актов
Со стороны государства требуется закон о малой энергетике.
8. Наличие постановлений, правил, инструкций, нормативов, требований, запретительных мер и других документов, регламентирующих применение данного метода и обязательных для исполнения; необходимость внесения в них изменений или необходимость изменения самих принципов формирования этих документов; наличие ранее существовавших нормативных документов, регламентов и потребность в их восстановлении
Отсутствие материалов по режиму малых рек затрудняет разработку конкретных проектов и оценку степени обеспеченности водными ресурсами отдельных регионов. Положение дел осложняется отсутствием современных методов оценки стока малых рек, так как использование действующих СНиП и рекомендаций нередко приводит к грубым просчетам.
9. Наличие внедрённых пилотных проектов, анализ их реальной эффективности, выявленные недостатки и предложения по совершенствованию технологии с учётом накопленного опыта
Существует положительный опыт применения в России и за рубежом.
ОАО «РусГидро» для реализации проекта строительства малой гидроэлектростанции «Чибит» создало в Алтайском крае 100% «дочку» - ОАО «Малые ГЭС Алтая».
МГЭС «Чибит» станет пилотным проектом в реализации программы развития малой гидрогенерации на Алтае, которую "РусГидро" готово создать на основе результатов анализа потенциала республики в части строительства объектов малой гидроэнергетики.
Пилотный проект предусматривает строительство малой гидроэлектростанции «Чибит» мощностью 24 МВт на реке Чуя в Улаганском районе Республики Алтай.
В Алтайском крае будет реализован инвестиционный проект по строительству малых гидроэлектростанций - соответствующее соглашение подписал глава региона с компаниями "МРСК Сибири", "Алтайэнергосбыт" и "Инжиниринговая компания "Энергия", сообщили в краевой администрации.
Специалисты уже провели на Алтае предварительный анализ возможных площадок под строительство малых ГЭС. Как наиболее перспективная выбрана бурная река Ануй, протекающая в предгорьях. "В ближайшие два месяца инвесторы окончательно определяться с местом расположения створа малой ГЭС и приступят к предпроектным изысканиям. Параметры будущей ГЭС, выбор оборудования и сроки реализации проекта будут зависеть от выбора площадки для строительства", - уточнили в краевом управлении по промышленности и энергетике.
10. Возможность влияния на другие процессы при массовом внедрении данной технологии (изменение экологической обстановки, возможное влияние на здоровье людей, повышение надёжности энергоснабжения, изменение суточных или сезонных графиков загрузки энергетического оборудования, изменение экономических показателей выработки и передачи энергии и т.п.)
Влияние на другие процессы:
Снижение потребления углеводородного ископаемого топлива;
- снижение общих выбросов парниковых газов и других вредных выбросов в окружающую среду;
- вклад в решение проблем энергодефицитных регионов.
11. Наличие и достаточность производственных мощностей в России и других странах для массового внедрения метода
Присутствуют мощности для внедрения.
12. Необходимость специальной подготовки квалифицированных кадров для эксплуатации внедряемой технологии и развития производства
При внедрении необходим квалифицированный персонал.
13. Предполагаемые способы внедрения:
1) коммерческое финансирование (при окупаемости затрат);
2) конкурс на осуществление инвестиционных проектов, разработанных в результате выполнения работ по энергетическому планированию развития региона, города, поселения;
3) бюджетное финансирование для эффективных энергосберегающих проектов с большими сроками окупаемости;
4) введение запретов и обязательных требований по применению, надзор за их соблюдением;
5) другие предложения.
Предполагаемые способы внедрения:
Коммерческое финансирование.
Дополнительно, как указывалось в п. 5 необходимо определить соответствующие государственные приоритеты и объективные стимулы для развития данных технологий.
Для того чтобы добавить описание энергосберегающей технологии в Каталог, заполните опросник и вышлите его на c пометкой «в Каталог» .
В последние годы в России растет интерес к строительству малых гидроэлектростанций. Они свободны от ряда недостатков крупных ГЭС и являются одним из наиболее экономичных и экологически безопасных источников получения электроэнергии.
Общепринятого определения того, что же такое малая ГЭС, сегодня в мире не существует. Чаще всего «мерилом» выступает ее установленная мощность. В большинстве стран эта планка ограничена 10МВт, но, например, в Китае к МГЭС относят все гидроэлектростанции мощностью до 50 МВт. Именно Китай уже не первый год прочно застолбил за собой звание мирового лидера по совокупной мощности МГЭС - более 50 ГВт. Для сравнения: идущая на втором месте Япония отстает от Поднебесной более чем в 10 раз. Что касается важности МГЭС для энергетического баланса страны, то тут вне конкуренции Швейцария и Австрия. В этих странах на долю МГЭС приходится 8,3% и 10% всей вырабатываемой энергии.
В настоящее время в России насчитывается примерно 300 МГЭС общей мощностью около 1,3 млн кВт. При этом программа развития малой гидроэнергетики предполагает создание до 2020 года на территории России 275 МГЭС общей мощностью 1,86 ГВт.
Альтернатива для глубинки. «Несмотря на высокие темпы развития «большой» гидроэнергетики, природные и инфраструктурные особенности России накладывают на этот процесс определенные рамки, - отмечает доцент Московского энергетического института Игорь Беспалов. - Например, основная часть гидроэнергетического потенциала нашей страны сконцентрирована в регионах Сибири и Дальнего Востока, достаточно далеко от основных потребителей электроэнергии». Как отмечает эксперт, в этом случае выработка электроэнергии традиционным способом из-за огромных транспортных расходов получается настолько нерентабельной, что экономически целесообразно становится использовать потенциал малых рек и других возобновляемых источников энергии.
Для промышленных предприятий, научных станций и нефтяных платформ, расположенных в отдаленной местности, зачастую именно МГЭС служат одним из немногих возможных способов генерирования электроэнергии. Еще одной перспективной сферой использования МГЭС становится децентрализованное снабжение электроэнергией сельских районов.
В сравнении с «большой» энергетикой инвестиционные проекты малых ГЭС обладают рядом важных преимуществ, в том числе коротким сроком подготовки и осуществления строительства, отсутствием необходимости держать на станциях персонал. Большинство МГЭС могут работать в полностью автоматическом режиме. Кроме того, по сравнению с более крупными гидроэлектростанциями МГЭС не нуждаются в зоне затопления, а значит, сразу отпадает целый ворох сложных экологических и социальных проблем.
К преимуществам малой гидроэнергетики можно отнести низкую себестоимость электроэнергии и эксплуатационные затраты, относительно недорогую замену оборудования и более длительный срок службы ГЭС.
Надежда на государство
«Перспективы развития малой энергетики в РФ сильно зависят от наличия полноценной системы господдержки этого сектора, - обращает внимание специалист «РусГидро» Александра Горшкова. - Без базовых «правил игры», установленных государством, переход к масштабной реализации проектов ВИЭ невозможен, так как проекты эти в основном экономически неэффективны». Как отмечает эксперт, ВИЭ-генерация сегодня обеспечивает 8,2% мирового потребления электроэнергии. В России же эта цифра составляет менее 1%, однако до 2020 года ее планируется увеличить до 4,5%. В частности, правительством РФ был утвержден комплекс мер стимулирования производства электроэнергии объектами ВИЭ, а Минэнерго разработало поправки в законодательство по введению поддержки ВИЭ-генерации на оптовом рынке. Главным механизмом стимулирования стал договор поставки мощности, заключаемый по итогам конкурсных отборов инвестиционных проектов суммарной мощностью до 6 ГВт до 2020 года.
«В 2009 году принята новая Энергетическая стратегия России на период до 2030 года, в которой особый акцент сделан на перспективы развития альтернативной энергетики, - рассказал Александр Масеев, ведущий научный сотрудник Института энергетической стратегии. - Согласно документу, к 2030 году доля нетрадиционных ВИЭ в отечественном энергобалансе должна составить не менее 10%». При этом, как отмечает эксперт, переход от пилотных проектов к реализации масштабной программы строительства будет невозможен без принятия всех необходимых нормативно-правовых актов.
Несмотря на ведущую роль государства, все больший интерес к развитию малой гидроэнергетики проявляют и частные компании. Так, в марте 2010 года в России была образована Ассоциация малой гидроэнергетики (АМЭ), которая объединила часть заинтересованных в развитии МГЭС российских компаний. Ключевая задача АМЭ - разработка программ и механизмов привлечения российских и иностранных инвесторов. Во многом повышение интереса к малой энергетике связано со значительным техническим прогрессом в конструировании малых гидроагрегатов. Современные МГЭС полностью автоматизированы, просты в монтаже и эксплуатации. А срок их использования достигает 40 лет. Еще пару десятилетий назад о таком невозможно было даже мечтать.
От Кавказа до Дальнего Востока
Сейчас в нашей стране строительство малых ГЭС разворачивается преимущественно на Северном Кавказе, где для этого имеются наиболее благоприятные природные условия. Все проекты по созданию сети МГЭС в этом регионе реализует «РусГидро». «Развитие малой гидроэнергетики является одним из основных направлений нашей работы в области альтернативной энергетики, - подчеркнула Александра Горшкова. - В настоящее время компания проводит актуализацию карты потенциальных створов малых ГЭС и ведет переговоры с зарубежными партнерами по реализации программы строительства и локализации производства основного оборудования объектов ВИЭ».
Уже полным ходом идет возведение Зарижской МГЭС в Кабардино-Балкарии (30,6 МВт), а в Карачаево-Черкесии прошел государственную экспертизу проект МГЭС Большой Зеленчук (1,2 МВт). Осуществляются проектирование и предварительная проработка еще целого ряда малых ГЭС. «В июне 2014 года проекты Сенгилеевской, Барсучковской, Усть-Джегутинской ГЭС успешно прошли конкурсный отбор инвестиционных проектов по строительству генерирующих объектов на основе возобновляемых источников энергии, - отметила Александра Горшкова. - Были заключены договоры, обеспечивающие инвесторам возмещение затрат в течение 15 лет с базовой доходностью до 14% годовых. Текущая же их доходность будет зависеть от доходности долгосрочных облигаций федерального займа». Планируется, что эксплуатация Сенгилеевской МГЭС (10 МВт), Барсучковской МГЭС (5,04 МВт) и Усть-Джегутинской МГЭС (5,6 МВт) начнется в 2017 году.
Большую роль в развитии отечественной малой энергетики играет обмен опытом с зарубежными коллегами. Особенно это касается китайских партнеров. В мае 2014 года в ходе визита президента РФ Владимира Путина в Шанхай между «РусГидро» и PowerChina было подписано соглашение по сотрудничеству в области малой энергетики. А уже в декабре 2014 года группа экспертов из Поднебесной совершила поездку по площадкам малых ГЭС «РусГидро» на Северном Кавказе. Технические и экономические специалисты PowerChina посетили пять МГЭС - Сенгилеевскую, Барсучковскую, Усть-Джегутинскую, Верхнебалкарскую и Адыр-Су, где осмотрели площадки будущих станций и ознакомились с техническими решениями. Сейчас стороны дорабатывают текущую структуру и схему создания совместного предприятия, а также возможные варианты его финансирования.
Гидроэнергетические установки это совокупность компонентов, связанных между собой и служащих для преобразования энергии (кинетической и потенциальной) в электрическую или наоборот.
По существующей классификации к малым относятся мощностью до 10-15 МВт, в том числе:
малые ГЭС - от 1 до 10 МВт.
мини-ГЭС - от 0,1 до 1 МВт.
микро-ГЭС - мощностью до 0,1 МВт.
Решающую роль для мощности гидроэлектростанции играют расход и напор. Расход и напор регулируются с помощью запаса воды, заранее накопленной в верхнем бьефе. Чем больше воды в водохранилище, тем выше уровень верхнего бьефа, а соответственно и напор.
Источник гидроэнергопотенциала, используемого на ГЭС, - крупные средние и малые реки, ирригационные системы и системы водоснабжения, склоновый сток ледников и вечных снегов. ГЭС в основном отличаются друг от друга способом создания напора, степенью регулирования стока, типом установленного основного оборудования, комплексностью использования водотока (одно- или многоцелевое назначение) и т.д.
Малые гидроэлектростанции (малые ГЭС) играют особенно важную роль в электроснабжении автономных потребителей, рассредоточенных вдали от линий электропередачи. В статье рассмотрены распространенные конструкции, использующие энергию малых водотоков.
Установка для использования текущей среды показана на рис. 1 а. Функционирует она следующим образом. При воздействии на вертикальные лопасти 1 текущей средой, возникает гидродинамическая сила, приводящая в движение балластные ободы. Через кинематическую связь 3 опора передает крутящий момент на вал электрогенератора, при этом сам электрогенератор остается неподвижным. Данная гидроэнергетическая установка работает на равнинных водотоках, от размеров и энергии которых зависит ее мощность.
Рис. 1. Схемы работы равнинной гидроустановки: а) Равнинная гидроустановка, б) б) Гидроэнергетическая установка.
Гидроэнергетическая установка (рис. 1,б), двигаясь, использует энергию текучей среды посредством рабочего колеса 6. Рабочее колесо 1 содержит вал и расположенные на нем лопатки. Установка смонтирована на раме 7, закрепленной на понтонах 6. Перпендикулярно наклоненные к направлению потока воды лопатки меняют свою ориентацию по направлению к потоку посредством колеса 4.
Одна из лопаток выполнена составной из соединенных между собой внутренней и наружной частей, имеющих поперечный разъем, расположенный под углом к оси, и ослаблена эластичной прокладкой, размещенной между частями, и упругой связью. Упругая связь выполнена в виде пакета пластин, обращенных к потоку среды, имеющих переменную длину, умещающуюся в сторону от лопатки и контактирующих с ее наружной частью. Устройство ориентировано на равнинный водоток. Применяются электрогенерирующие машины может синхронного и асинхронного типов.
В гидроэнергетической установке, изображенной на рис. 2, поток жидкости регулирующим клапаном 1 попеременно отклоняется в камеры 2 и 3 и обратно.
Рис. 2. Турбина в проточном тракте сифона
Вращательное движение жидкости в камерах вызывает колебания воздуха и его переток по трубопроводам 4 и 6 с приведением в действие турбины 5 и спаренного с ней генератора. В целях повышения эффективности работы всего устройства его устанавливают в проточном тракте сифона. Необходимые условия безотказной работы – чистая без крупных фракций протекающая жидкость. Для данной установки необходима сороудерживающая решетка.
Наплавная водяная турбина 16 кВт (рис. 3) предназначена для преобразования кинетической энергии потока в механическую, а затем в электрическую энергию. Турбина представляет собой протяженный круглый элемент из легкого (легче воды) материала с винтовыми ребрами на его поверхности. Элемент шарнирно закреплен с двух сторон тягами, передающими вращающий момент генератору.
Рис 3. Наплавная водяная турбина
Гидросиловая установка (рис. 4) предназначена для выработки электроэнергии минигенератором, который приводится во вращение бесконечным приводным ремнем 1 с расположенными на нем водяными ковшами 2. Ремень 1 с ковшами 2 смонтирован на раме 3, способной плавать на волнах. Рама 3 крепится к опоре 4, на которой расположен генератор 5.
Ковши расположены на внешней стороне ремня с открытыми сторонами, обращенными к горизонтальному направлению течения воды. Число ковшей определяется из условия обеспечения вращения генератора. Возможен вариант использования устройства «лестничного» типа с прикрепленными лопастями.
Рис. 4. Ременно-ковшевая установка
Устройство для использования кинетической энергии водотоков состоит из расположенных в воде на противоположных берега х вертикальных цилиндров, на которые надет шкив (рис. 5).
Рис. 5. Микроплотинная установка
Между верхними и нижними осями шкива установлены лопатки. За счет угла атаки между лопатками и вектором скорости, текущая вода приводит во вращение цилиндры, а через шкив - генератор, вырабатывающий электроэнергию.
Устройство для использования энергии водотоков состоит из рабочего колеса 1, вертикально расположенного в потоке воды, с шарнирно закрепленными лопатками 2 на верхнем 1 и нижнем 3 ободе (рис. 6). Верхний обод 1 соединен с генератором 4. Положение лопаток 2 регулируется самим потоком: перпендикулярно течению в прямотоке и параллельно движению против течения.
Рис. 6. Устройство, преобразующее энергию водотока
Рукавная микрогидроэлектростанция 1 кВт (МГЭС-1) состоит из турбины в виде беличьего колеса 1, направляющего аппарата 2, гибкого трубопровода 3 диаметром 150 мм, водозаборного устройства 4, генератора 5, блока управления 6 и станины 7 (рис. 7).
Рис. 7. Рукавная микро ГЭС 1 кВт
Работа данной МикроГЭС осуществляется следующим образом: водозаборное устройство 4 концентрирует гидравлическую среду и посредством трубопровода 3 обеспечивает перепад высоты между верхним уровнем воды и рабочей турбиной 1, взаимодействие определенного давления гидравлической жидкости с турбиной, приводит во вращение последнюю. Вращающийся момент турбины 1 передается электрогенератору.
Сифонная гидроэнергетическая установка (рис. 8) применяется там, где возникает перепад гидравлической жидкости на высотах от 1,75 м от плотины или в результате естественных условий.
Рис. 8. Сифонная гидроустановка
Работа этих установок происходит следующим образом: проходящая гидравлическая жидкость через турбину 1 поднимается через гребень плотины, рис. 9, вращательный момент передается посредством вала 2 и ременную передачу 3 электрогенератору 4. Отработанная жидкая среда по расширяющему водоводу поступает в нижний бьеф.
Низконапорная микрогидроэлектрическая установка (рис. 9) работает с номинальным напором жидкого столба не менее Н = 1,5м. При уменьшении перепада уменьшается выходная мощность. Рекомендованная высота перепада – 1,4-1,6 м.
Рис. 9. Низконапорная гидроэлектростанция
Принцип работы основан на взаимодействии гидравлической жидкости, обладающей потенциальной энергией, преобразуемой во вращающуюся, а затем в электрическую форму. В заборном устройстве 1 текучая среда попадает в турбину 2, предварительно жидкость закручивается и, проникая в отводную трубу дополнительно за счет падающей жидкости, взаимодействует с лопастями турбины 2, кинетическую энергию жидкости преобразует во вращающийся момент вала 3, затем на электрогенератор.
Вес низконапорной станции составляет 16 кг при мощности Р = 200 Вт. Пропеллерный полупрямоточный гидроэнергопреобразователь состоит из напорного водовода 1, направляющей решетки 2, пропеллерной турбины 3, закругленного отводного канала 4, вала передачи момента 5 и электрогенератора 6 (рис. 10).
Рис. 10. Полупрямоточный преобразователь
Электрическая мощность данной конструкции лежит в предела 1-10 кВт при перепаде высоты Нм=2,2-5,7 м. Расход воды QH=0,05-0,21м 3м/с. Перепад высоты Нм=2,2-5,7 м. Скорость вращения турбины составит wn = 1000 об/м.
Капсульный гидропреобразователь на базе электродвигателя 2ПЭДВ-22-219 (рис. 11) работает аналогично предыдущей гидроэнергоустановке при напоре Н=2,5-6,3м и расходе воды Q= 0,005-0,14 м 3 /c. Электрическая мощность 1-5 кВт. Диаметр водяных турбин от 0,2 до 0,254 м. Диаметр гидравлического колеса Дк = 0,35-0,4м.
Рис. 11. Капсульная микроГЭС
Прямоточный гидропреобразователь (рис. 12) состоит из турбины пропеллерного типа 1, направляющей решетки 2, вала передачи момента 3, электрогенератора 4, отводящего трубопровода 5. Работает при помощи напорного трубопровода.
Рис. 12. Прямоточный гидропреобразователь
Гидропреобразующее устройство (рис. 13) предназначено для преобразования энергии быстродвижущейся жидкой среды в электрическую.
Рис. 13. Гидропреобразователь энергии быстрого водотока
Оно состоит из пропеллерной турбины 1, расположенной в капсуле 2, и устанавливается на водотоках, именуемых «быстротоками». Капсула расположена в направляющем аппарате 4, который устанавливают внутри текущей среды. Вращательный момент от турбины передается на вал 5, а затем электрогенератору 6.
Последнее время нетрадиционной энергетике уделяется пристальное внимание всего мира. Заинтересованность в применении возобновляемых источников энергии – солнца, ветра, речной воды и морского прилива, - легко объяснима: не нужно закупать дорогое топливо, есть возможность использовать небольшие станции с целью обеспечения труднодоступных районов электроэнергией. Данное обстоятельство важно особенно для стран, где есть горные массивы или малонаселенные районы, где прокладывать электросети нецелесообразно экономически.
Две трети территории России не имеет подключения к энергетической системе
В России области децентрализованного энергоснабжения распространяются на 70% территории страны. У нас до сих пор есть населенные пункты, где никогда не было электричества. И это не всегда поселения Сибири или Крайнего Севера. Электрификация не дошла, например, до некоторых поселков Урала – это края, которые нельзя назвать неблагополучными для энергетики. Кроме того, электрификация труднодоступных и отдаленных населенных пунктов – не такое уж сложное дело. В любом уголке страны найдется ручей или речка, где можно обустроить микро ГЭС.
Микро и малые ГЭС
Объекты малой гидроэнергетики – малые и микро ГЭС. Эта область энергетического производства занимается применением энергии водных ресурсов и гидравлических систем при помощи гидроэнергетических установок малой мощности (1-3000 кВт). В мире малая энергетика стала развиваться в последние десятилетия, это в основном связано со стремлением избежать экологического ущерба, который наносится водохранилищами крупных ГЭС, с возможностью гарантировать энергоснабжение в изолированных и труднодоступных районах, а также с небольшими затратами капитала при строительстве станций и скорого возврата инвестиций (до 5 лет).
Где можно установить объекты малой гидроэнергетики?
Гидроагрегат малой ГЭС (МГЭС) включает в себя генератор, турбины и системы автоматического управления. По типу используемых гидроресурсов МГЭС делят на категории: новые русловые или приплотинные станции с водохранилищами небольших размеров; станции, работающие за счет скоростной энергии свободного течения рек; станции, применяющие существующие перепады уровней воды в разливных объектах водного хозяйства – от водоочистных комплексов до судоходных сооружений (сегодня есть опыт применения питьевых водоводов, канализационных и промышленных стоков).
Применение энергии небольших водотоков при помощи малых ГЭС – одно из самых эффективных направлений развития возобновляемой энергетики в нашей стране. Большая часть ресурсов малой гидроэнергетики в России сконцентрированы на Дальнем Востоке, на Северном Кавказе, на Северо-Западе (Мурманск, Архангельск, Карелия, Калининград), в Туве, на Алтае, в Тюменской области и в Якутии.
Микро ГЭС (мощность до 100 кВт) устанавливают практически в любом месте. Гидроагрегат включает водозаборное устройство, энергоблок и устройство автоматического регулирования. Микро ГЭС применяются в качестве источников электроэнергии для фермерских хозяйств, дачных поселков, хуторов и небольших производств в труднодоступных районах – там, где невыгодно прокладывать сети.
Малая гидроэнергетика востребована только на 1%
Технико-экономические возможности малой гидроэнергетики в нашей стране превышают возможности следующих возобновляемых источников: солнце, ветер, биомасса, а также все они вместе взятые. Сегодня он оценивается в размере 60 млрд. кВт/ч в год. Но этот потенциал применяется слабо: лишь на 1%. В 1950-60-х годах функционировало несколько тысяч МГЭС. Сегодня – только несколько сотен – отразились последствия перекосов в ценовой политике и слабое внимание к повышению качества и профессионализма конструкций оборудования, к использованию совершенных технологий и материалов.
К вопросу об экологии
Основным достоинством малой гидроэнергетики является безопасность с экологической точки зрения. В ходе сооружения объектов данной отрасли и дальнейшей их эксплуатации нет вредных воздействий на качество и свойства воды. Водоемы можно применять и для рыбохозяйственной деятельности, и как источники снабжения населения водой. Но и кроме этого у малых и микро ГЭС много достоинств. Современные станции имеют простые конструкции и автоматизированы полностью, т.е. при эксплуатации они не требуют присутствия человека.
Электрический ток, вырабатываемый ими, соответствует требованиям ГОСТа по напряжению и частоте, причем станции способны работать автономно, т.е. вне электрической сети энергосистемы области или края, и в составе данной электросети. Общий ресурс работы станции более 40 лет (не меньше 5 лет до капремонта). А основное достоинство – объекты малой гидроэнергетики не требуют организации крупных водохранилищ с соответствующим огромным материальным ущербом и затоплением территории.
О компаниях-производителях оборудования
В 1990-х годах в связи со снижением объемов крупного строительства в отечественной гидроэнергетике наша страна частично переориентировала производственные предприятия на нужды малой гидроэнергетики, вот некоторые из них: АО «Тяжмаш» (город Сызрань), АО «ЛМЗ» и АО «НПО ЦКТИ» (город Санкт-Петербург) и др. Вместе с этим были образованы, в том числе в рамках конверсии, акционерные компании и малые предприятия, производящие оборудование для МГЭС. Самые известные: НПЦ «Ранд» и АО «МНТО Инсет» из Санкт-Петербурга, АО «Энергомаш», АО «НИИЭС» и АО «Напор» из Москвы. Среди поставщиков оборудования отметим и региональные организации, которые когда-то входили во Всесоюзный институт «Гидропроект».
Сегодня на отечественном рынке представлены комплектные гидроагрегаты с системами автоматического регулирования и управления для автономных и сетевых МГЭС на напоры от 1 до 250 метров, а также подъемное, нестандартное гидромеханическое оборудование, напорные трубопроводы, трансформаторные подстанции, предтурбинные затворы, распределительные устройства и иные компоненты, которые нужны для строительства объектов малой гидроэнергетики. Для МГЭС с применением стратегического напора используются гидроагрегаты с радиально-осевыми, ковшовыми, пропеллерными, поперечно- и наклонно-струйными, фронтальными гидротурбинами, имеющими упрощенную конструкцию. Для МГЭС с применением скоростного напора используются гидротурбины типа «Уэллс», «Дарье», «Савониус» и другие. Генераторы для малых ГЭС выпускают АО «Привод» (Лысьва), АО «Электросила» (Санкт-Петербург), АО «СЭГПО» (Сарапул), АО «Урал-электротяжмаш», АО «СЭЗ» (Сафоново) и др.
Природа предоставила нам самый неприхотливый метод получения энергии. Увы, мы им практически не пользуемся. Остается надеяться, что в будущем с развитием малого производства, все-таки возникнет необходимость в использовании энергии огромного количества естественных водоемов России.
Малая ГЭС «Чала»
В Санкт-Петербурге введена в эксплуатацию грузинская МГЭС «Чала», мощность которой 1500 кВт (три гидроагрегата по 500 кВт). Эта станция строилась с 1994 года, а первые гидроагрегаты отгрузили еще в 1995-1996 году. Но завершить строительство вовремя помешало отсутствие финансовых средств у заказчика – завода-производителя спиртных напитков (раньше это был завод «Слезы Лозы», известный на отечественном рынке). Но станция нужна была не только заводу: рядом с МГЭС находится поселок, где до последнего времени не было электричества.
Особенность станции состоит в том, что на ней функционируют гидроагрегаты с ковшовыми турбинами, которые в России не выпускались уже около 30 лет. Они предназначены для больших напоров относительно небольшого количества воды, их следует использовать в высокогорных районах: республиках Кабардино-Балкарии, Закавказья, Чечне, Дагестане, Карачаево-Черкесии. На МГЭС «Чала» (напор 200 метров) достаточно 300 литров воды, чтобы обеспечить мощность 500 кВт.
Для производства ковшей турбин на станции применялась технология точного литья. Они выпускались на заводе им. Климова в Санкт-Петербурге.
Застройщики сейчас активно популяризируют малые ГЭС, для того, чтобы получить разрешения у местных общин на их постройку. Но экологический вред плотин настолько велик, а производительность гидроэнергетики настолько низкая, что все это похоже скорее на бизнес девяностых. Давайте рассмотрим несколько мифов связанных с малыми гидроэлектростанциями.
Миф 1. Малые ГЭС - помогут достичь энергонезависимости.
Этот миф сформировался на основании изучений гидроэнергетического потенциала малых рек, без учета экологических, социально-экономических, законодательных и других ограничений и рисков, которые влияют на то, какую часть этого потенциала можно использовать без вреда для природы, местных хозяйств, без нарушения законов и международных правовых актов, без учета рисков связанных с гидроэнергетикой в целом.
На самом деле все значительно сложнее.
Если говорить об энергонезависимости целой страны. То в Украине, например, большие и средние ГЭС составляют только 7,88% (9 обьектов) от общего обьема поставляемой энергии. Малые ГЭС составляют всего - 0,16% (80 обьектов).
При чем обьемы производства электроэнергии в Украине намного превышает потребности населения и активно экспортируется. И наращивать эти обьемы в масштабах страны перекрывая все реки малыми греблями и плотинами это по сути вредительство, с целью обогащения.
Миф 2. Малые ГЭС дают дешевую экологически чистую энергию, которая поможет улучшить энергообеспеченность отдаленных общин.
Стоимость электроэнергии малых ГЭС абсолютно неконкурентноспособна по сравнению с другими видами производимой энергии. Даже с учетом «зеленых тарифов», прибыль от малых ГЭС обеспечивается только наличием схем обязательного выкупа производимой энергии.
Это не говоря уже об экологичности самой постройки малых ГЭС, которые, как правило, сопровождаются грубыми нарушения всех экологических норм, игнорированием законов и давлением на местные общины.
Миф 3. Малых ГЭС планируется немного и решения об их постройке касается только некоторых общин.
От инвесторов малых ГЭС очень часто можно услышать, что ни о каких сотнях малых ГЭС речь не идет, ведь нет столько мест для их постройки и все это только планы, которые вряд ли будут когда-то воплощены в жизнь.
На самом деле таких проектов тысячи. И каждый раз местные активисты сталкиваются со случаями, когда органы местного самоуправления тайком от общин выдают разрешения на постройки малых ГЭС застройщикам. И местная община узнает о постройке плотины только когда тяжелая техника заходит в русло реки и начинает разрушать водоемы.
Практически каждая речка с более-менее значительным перепадом высот и минимальным наполнением воды становится жертвой горе-бизнесменов. Преимущество отдается горным частям рек, а также малым рекам.
Причина неочевидна, она определяется кинетической энергией воды. Просто большим перепадом воды можно достигнуть нужного преобразования механической энергии в электрическую, а расходы в постройке малых ГЭС в верховьях рек значительно ниже чем в низовье, где русло всегда шире.
Миф 4. ГЭС не несет угрозы окружающей среде, не будет иметь негативного влияния для населения и общин.
На самом деле ГЭС наносит огромный вред окружающий среде на всех этапах ее существования. Особо опасным является постройка одновременно сотен малых ГЭС без учета их кумулятивного эффекта.
Миф 5. Малая гидроэнергетика - это передовой мировой опыт. Она соответствует самым безопасным для природы мировым образцам.
На самом деле, основным технологиям, которые используются в малых ГЭС уже боле ста лет. А большинство ГЭС построено там, где их вообще не должно быть через экологические ограничения.
Миф 6. Малые ГЭС всегда лучше для окружающей среды, чем большие.
Долгое время считалось, что малые ГЭС намного безопасней чем крупные. Но когда исследователи сравнили потери суходола и прибрежных поселений в расчете на 1МВт произведенной электроэнергии, то оказалось, что потери территорий экосистем от малых ГЭС могут в сотни раз превышать потери от больших ГЭС в расчете на 1МВт.
Также малые ГЭС вызывают большую фрагменитацию экосистем, ухудшают качество воды и влияют на гидрологию рек и их бассейнов.
Миф 7. Малые ГЭС будут защищать от паводков и наводнений.
На самом деле, нормальный режим работы малых ГЭС несовместимый с противопаводковой защитой.
Последние исследования показывают, что лучшей защитой от наводнений и паводков являются не дорогостоящие инженерные сооружения, а естественные речные поймы и снесение всех инженерных сооружений (плотин, дамб и т.д.), которые перекрывают русло реки и сужают пойму, создают помехи свободному ходу водных потоков.
Миф 8. Малые ГЭС не опаснее водяных мельниц
Часто этот факт, преподают как аксиому. Но это далеко не так. Малые ГЭС намного опаснее, чем водяные мельницы. Основные отличия кроются в специфике работы этих сооружений.
Водяные мельницы работают нерегулярно и часто для их запуска достаточно погрузить колесо в воду, без перекрытия реки плотиной. Кроме этого эти плотины были значительно меньше, чем плотины малых ГЭС и при паводках они полностью затапливались не создавая препятствий для миграции рыбы. Кстати, особенности конструкции этих плотин не создавали препятствий для миграции мальков вниз по течению.
Малые ГЭС - капитальные сооружения, которые работают максимальное количество дней в году. Постоянная работа таких дамб приводит к тому, что в период нереста и миграции риб, молодая рыба не способна преодолеть плотину и гибнет в турбинах. А часто в результате работы турбин происходит высушивание русла реки, что приводит к разрушению местной экосистемы.
Миф 9. Малые ГЭС принесут благополучие общинам, сопутствуют развитию туризму и рекреации
На самом деле, малые ГЭС делают невозможным некоторые виды туризма и рекреации, в частности сплавный и зеленый туризм.
Кроме того, все поступления в местный бюджет и выплаты, которые инвесторы обещают местным общинам, это просто подкуп обещаниями. Малые ГЭС создаются только с одной целью, выкачивание компенсаций из госбюджета в частные карманы.
Миф 10. Малые ГЭС уменьшают парниковых газов и препятствуют изменению климата.
Еще одно утверждение, которые построено на неполноте всех собранных аргументов.
Дело в том, что при строительстве ГЭС, как правило создается водохранилище, а в момент его наполнения увеличиваются выбросы другого газа - метана, который имеет парниковый потенциал в 20 раз выше, чем СО2. Это обусловлено процессами разложения органических веществ, например растений, в условиях затопления водохранилища.
Тем более для запуска ГЭС нужна электроэнергия с ТЭС, которая работает на ископаемом топливе. А электроэнергия, вырабатываемая малыми ГЭС выкупается вынуждено и по завышенным тарифам.
Миф 11. Экологи критикуют не предлагая альтернативы.
На самом деле экологи предлагают целый ряд альтернатив, которые позволяют повышать энергетическую безопасность, благополучие местных жителей и сохранять природу.
Одним из самых перспективных направлений является энергосбережение, которое может уменьшить энергии страны в 2 раза уже к 2030 году.
Возможным является развитие бесплотинных ГЭС, которые не забирают русло в трубы, а устанавливаются в потоке. Но для бизнеса они не интересны, так как вырабатывают слишком мало энергии, достаточной только для обеспечения частного домохозяйства.
Их можно устанавливать достаточно много, без вреда для окружающей среды и такие ГЭС способны обеспечивать энергонезависимость небольших отдаленных общин.
Как можно остановить развития гидроэнергетики и прекратить уничтожение окружающей среды
Единственный путь - это просвещение местных общин и защита местных рек во имя нашего общего будущего. От делков из 90-х можно защитится только реальными уверенными действиями на месте. 
Кстати эта борьба идет не только у нас. В США (штат Вашингтон) на реке Евла недавно были снесены две плотины высотой 33 и 64 метра, которые 102 года перекрывали реку и миграционные пути рыбы. Это снос, который является крупнейшим сносом плотины по экологическим причинам в истории, произошел благодаря борьбе местных жителей и экологов - защитников рек. реки и рыбы оказались, в конце концов, важнее и для местной общины, и для государства.