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» .
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.
Основными преимуществами МГЭС являются:
- защита окружающей среды за счет снижения выбросов СО2;
- проверенные и надежные технологии;
- снижение зависимости от импортного топлива;
- увеличение разнообразия энергетических ресурсов;
- отсутствие необходимости в земельных площадях;
- местное и региональное развитие;
- помощь в обслуживании речного бассейна;
- электрификация сельских территорий в развивающихся странах;
- небольшой срок окупаемости.
Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла устойчивое положение во многих странах мира. Например, в 2005 году суммарная мощность малых ГЭС в мире выросла на 8% (5 ГВт) и достигла 66 ГВт, причем она составила 36% от суммарной мощности всех возобновляемых источников энергии (исключая большую гидроэнергетику) и 1.6% от общих электроэнергетических мощностей. Таким образом, можно сказать, что МГЭС являются одним из основных источников получения электроэнергии среди возобновляемых ресурсов.
В 2006 году суммарная мощность МГЭС во всем мире составила около 73 ГВт. Среди стран лидирующее положение занял Китай (47 ГВт). На втором месте была Япония (4 ГВт), на третьем — США (3.4 ГВт). Пятерку лидеров замыкали Италия и Бразилия.
Суммарные мировые инвестиции в малую гидроэнергетику в 2006 году составили около 6 млрд. долл. при средней стоимости строительства МГЭС от 1.5 до 2.5 тыс. долл. за кВт установленной мощности.
Развивающиеся страны строят малые ГЭС в качестве автономных источников электроэнергии в сельской местности.
Например, в рамках программы The China Township Electrification Program до 2005 года в Китае была проведена электрификация 1000 поселков, в том числе с помощью МГЭС. В 2006 году была запланирована следующая программа (China Village Electrification Program), цель которой — электрификация к 2010 году 10 000 деревень, включая инвестиции в строительство малых ГЭС.
Кроме того, Китай планирует к 2010 году довести суммарную мощность гидроэнергетики до 190 ГВт, а к 2020 — до 300 ГВт.
Большое внимание развитию малой гидроэнергетики уделяют также и другие страны.
Европейский союз планирует к 2010 году довести установленные мощности МГЭС до 14 ГВт. (см. таблицу 1).
Таблица 1. Прогноз развития малой гидроэнергетики в Европе на 2010 год (Источник: European Small Hydropower Association)
Большинство стран мира имеют программу развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в число которых входят и МГЭС.
Таблица 2. Программы развития ВИЭ в различных странах мира (Источник: REN21 Renawables Global Status Report 2007)
| Страна | Программа |
| Австралия | 9.5 ТВт электроэнергии в год к 2010 году |
| Аргентина | 8% всей вырабатываемой энергии к 2017 году (исключая большую гидроэнергетику) |
| Египет | 3% электроэнергии к 2010 году и 20% - к 2020 году |
| Израиль | 5% электроэнергии к 2016 году |
| Индия | 10% добавленных электроэнергетических мощностей в период 2003-2012 годы (ожидается 10 ГВт) |
| Иордания | 10% электроэнергии к 2020 году |
| Корея | 7% электроэнергии к 2010 году, включая большую гидроэнергетику |
| Мали | 15% энергии к 2020 году |
| Мехико | Добавить 4000 МВт к 2014 году |
| Нигерия | 7% электроэнергии к 2025 году |
| Новая Зеландия | 90% электроэнергии к 2025 году |
| Пакистан | 10% электроэнергии к 2015 году |
| США | От 5% до 30% электроэнергии в 26 штатах |
| Филиппины | 4.7 ГВт общих мощностей к 2013 году |
| Хорватия | 6% электроэнергии к 2010 году |
| Япония | 1.63% электроэнергии к 2014 году, исключая геотермальную и большую гидроэнергетику) |
Таким образом, можно сказать, что малая гидроэнергетика будет оставаться одним из самых важных и конкурентоспособных возобновляемых источников энергии. Латинская Америка, Северная Америка и Европа имеют значительный гидроэнергетический потенциал, большая часть которого уже использована. В Восточной, Южной Азии и Африке малая гидроэнергетика еще недостаточно развита, что говорит о большом потенциале ее использования в этих странах.
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.
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.
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%.
Австрийский 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 м 3 /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 4 о С, 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 м 3 /с, max - 0,095-0,2 м 3 /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 мы рассмотрим условия, подходящие для создания малой гидроэлектростанции, а также способы ее построения своими руками.
Малая гидроэнергетика
Гидроэнергетика – область наиболее развитой на сегодня энергетики на возобновляемых ресурсах, использующая энергию падающей воды, волн и приливов.
Основные направления развития гидроэнергетики: восстановление старых МГЭС путем капитального ремонта и частичной замены оборудования; сооружение новых МГЭС на водохранилищах неэнергетического (комплексного) назначения, на промышленных водосбросах; строительство бесплотинных ГЭС, в которых используется кинетическая энергия движущейся массы воды (течение). Такие станции, мощностью до 10...25 кВт, не требуют больших капитальных затрат на строительство, экологичны и удобны в использовании при энергоснабжении потребителей небольшой мощности, расположенных на берегах рек, при наличии перепадов высот на небольших ручьях (рукавные ГЭС) и др. При наличии водных потоков перспективно также применение водных таранов для целей водоснабжения, а также использование водяных колес и турбин небольшой мощности для привода компрессоров тепловых насосов.
Описание работы гидроэлектростанций
Источником гидроэнергии является преобразованная энергия Солнца в виде запасенной потенциальной энергии воды, которая затем преобразуется в механическую работу и электроэнергию.
Действительно под воздействием солнечного излучения вода испаряется с поверхности озер, рек, морей и океанов. Пар поднимается в верхние слои атмосферы, образуя облака; затем он, конденсируясь, выпадает в виде дождя, пополняя запасы воды в водоемах.
Преобразование потенциальной энергии воды в электрическую происходит на гидроэлектростанции. Поддержание постоянного напора осуществляется с помощью платины, которая образует водохранилище, Служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость оборудования ГЭС. Вместе с тем удельная стоимость электроэнергии, генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с себестоимостью энергии, производимой другими источниками. Как правило, срок окупаемости малых ГЭС не превышает 10 лет.
Рис.1. Машинная станция с гидротурбиной
Для преобразования энергии воды в механическую работу используются гидротурбины (рис.1).
Различают активные и реактивные турбины.
В активной турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины, - водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД реальных турбин колеблется от 50 до 90 %. В гидротурбинах малой мощности КПД ниже.
Максимальное значение КПД, равно 100% . Оно может быть достигнуто, если струя после взаимодействия с лопатками будет двигаться вертикально вниз только под действием силы тяжести.
КПД активной гидротурбины может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй.
В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Френсиса вращение колеса осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90°. Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины.
Имеются и другие конструктивные решения реактивных гидротурбин, например пропеллерная турбина Каплана. Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за перепада давления.
ГЭС бывают самых различных мощностей – от 3 кВт до 12 ГВт. Малыми ГЭС (именуемыми также микро-ГЭС и сельские ГЭС) называются ГЭС, установленной мощностью менее 500 кВт. Сооружение их осуществляется обычно в качестве составной части комплекса, предусматривающего также развитие сельскохозяйственного производства, водоснабжение и регулирование стока.
Гидроэлектростанции и жизненная среда
Говоря о гидроэлектростанциях, нельзя не отметить, что никакие другие отдельно взятые инженерные сооружения не оказывают такого сильного воздействия на природу, как крупные водохранилища.
Водохранилище снабжает водой не только людей, но и весь растительный и животный мир, который активно реагирует на новые благоприятные условия. Это способствует появлению новых биологических сообществ, развитию которых прежде препятствовал недостаток воды (что особенно наглядно проявляется у небольших прудов, устраиваемых для развития рыбного хозяйства).
Однако при объективной оценке изменения экологических условий нельзя не учитывать некоторых отрицательных биохимических и лимнологических факторов.
Как известно, в стоячей воде водохранилищ кислородный обмен происходит гораздо медленнее, чем в водотоках (реках и ручьях). Попадая в такую воду, химические примеси могут создать в ней столь неблагоприятную стратиграфию (т.е. образовать устойчивые слои различного состава), что биологическая жизнь станет невозможной, погибнут рыбы и многие другие водные организмы. А при спуске такой отравленной воды в реку может наступить гибель рыбы во всем водотоке.
Опасны для водохранилища и водоросли, которые изменяют химический состав воды. Особенно вредны и экологически неблагоприятны процессы гниения в водоемах промышленных районов.
В целом можно считать, что водохранилища оказывают экологически благоприятное влияние на окружающую среду, а отрицательные факторы обусловлены в первую очередь сбросом промышленных отходов и (в меньшей степени) безответственным поведением весьма большого числа туристов и отдыхающих. Что же касается непосредственно технологического процесса выработки электроэнергии на гидростанциях, то с точки зрения экологии он совершенно безопасен. Производство работ по возведению гидроэнергетических объектов следует проектировать с минимальным ущербом природе.
При разработке стройгенпланов необходимо рационально выбирать карьеры, месторасположение дорог и т.п. К моменту завершения строительства должны быть проведены необходимые работы по рекультивации нарушения земель и озеленении территории.
По водохранилищу наиболее эффективным природоохранным мероприятием является инженерная защита. Например, строительство дамб обвалования уменьшает площадь затопления и сохраняет для хозяйственного использования земли, месторождения полезных ископаемых, уменьшает площадь мелководий и улучшает санитарные условия водохранилища, сохраняет природные естественные комплексы.
Если постройка дамб экономически не оправдана, то мелководья могут быть использованы для разведения птиц и для других хозяйственных нужд. При поддержании необходимых уровней воды мелководья могут быть использованы для рыбного хозяйства, как нерестилище и кормовая база.
Для предотвращения или уменьшения переработки берегов производят берегоукрепления. Предприятия, железные дороги, жилые и коммунально-бытовые постройки, памятники старины выносятся из зоны затопления.
Для обеспечения высокого качества воды необходима санитарная очистка ложа водохранилища до его затопления водой. С этой целью производят агротехнические мероприятия для уменьшения загрязненного поверхностного стока и строятся очистные сооружения.
Строительство больших плотин с электростанциями, как правило, способствует сохранению и обогащению природы. Искусственные озера позволяют комплексно использовать водные ресурсы. Вода не только приводит в действие турбины, но и орошает обширные прилегающие земли и тем самым обеспечивает развитие сельского хозяйства. Водохранилища смягчают резкие контрасты погоды и климата, помогают бороться с засухой, на их берегах отдыхают тысячи людей.