Сборник докладов ИСИ 2015

где N – расчетная мощность МГЭС, определяемая по формуле (1); Т – время работы гидроагрегатов в течении года, ч.

С учетом рельефа местности, расходов воды по сезонам года, статического напора и режиму работы гидроузлов определяется тип гидроагрегатов [3,4].

Согласно формуле (9) потери по длине обратно пропорциональны диаметру водовода. Выбираем оптимальное значение диаметра трубопровода, при котором значения потерь по длине будут минимальны, а выработка максимальной, что позволит увеличить выработку электроэнергии [5].

В таблице приведены сводные результаты водно-энергетического расчета мощности МГЭС на р. Каскасу при различной водности реки. В зависимости от водности года среднегодовая выработка электроэнергии изменяется от 5,7 до 16,3 млн. кВт∙ч. Изменение выработки электроэнергии в зависимости от обеспеченности Р в течение маловодного, средневодного и многоводного годов представлено на рисунке.

261

Таблица

Среднегодовая выработка электроэнергии в зависимости от водности года

Рис. Изменение выработки в зависимости от водности года

Выводы. Значительное влияние на мощность МГЭС оказывают рабочий напор, расход воды в реке и водность года. При увеличении диаметра напорного водовода от 1020 мм до 1220 мм выработка электроэнергии увеличивается в среднем на 5%, при этом масса водовода возрастает на ≈20%.

ЛИТЕРАТУРА:

1.ГОСТ Р51238-98. Нетрадиционная энергетика. Гидроэнергетика малая.

2.Асарин А.Е., Бестужева К.Н. Водно-энергетические расчеты – М.: Энергоатомиздат 1986 с.12-20.

3.Андреев А. Е., Елистратов В. В., Кубышкин Л. И., Кудряшева И. Г. Гидроэлектростанции малой мощности: учебное пособие, 2004.

4.Чугаев Р.Р. Гидравлика. М.: Энергоиздат: 1982.

5.Справочник по гидравлическим расчетам. Под редакцией П. Г. Киселева. Изд. 4-е, переработ, и доп. М.: «Энергия», 1972. 312 с.

262

УДК 620.92

А.А.Тебеньков Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ОТМЕТКИ НИЖНЕКАМСКОЙ ГЭС

Волжско-Камский каскад гидроэлектростанций расположен в Центральной части России в Волго-Камском речном бассейне. На р. Волге каскад имеет восемь ГЭС (Иваньковская, Угличская, Рыбинская, Нижегородская, Чебоксарская, Жигулевская, Саратовская и Волжская). На р. Кама каскад образуют три ГЭС (Камская, Воткинская и Нижнекамская). Волжско-Камский каскад дает около 20 % электроэнергии, производимой на ГЭС России. Его установленная мощность составляет 12,8 ГВт, а годовая выработка электроэнергии колеблется от 35 до 40 ТВт*ч в зависимости от водности года [1].

Завершающей ступенью Камского каскада ГЭС является Нижнекамский гидроузел. Нижнекамская ГЭС снабжает электроэнергией Республику Татарстан. В состав сооружений гидроузла входят: здание ГЭС, совмещённое с водосбросами, длиной 486 м, водосбросная плотина, длиной 76,2 м, земляные плотины длиной 2976 м, судоходные сооружения, ОРУ 500 кВ. Длина напорного фронта составляет около 3,6 км.

В здании ГЭС размещено 16 поворотно-лопастных гидроагрегатов ПЛ-20/811-В-1000, по 78 и 35 МВт, работающих при расчётном напоре 12,4 м. Расход каждого агрегата составляет 725 м3/с. Максимальный расход обеспеченности 0,1% через створ гидроузла составляет 31920 м3/с. Проектная суммарная установленная мощность гидроагрегатов 1248 МВт, фактическая мощность составляет 1205 МВт [2]. Нижнекамский гидроузел расположен в долине р. Камы у г. Набережные Челны в 69,5 км выше устья р. Вятки, является третьим гидроузлом в каскаде гидроэлектростанций на р. Каме (рис. 1). Главной проблемой Нижнекамского гидроузла, так же, как и Чебоксарского, является работа на непроектной отметке нормального подпорного уровня (НПУ). Нижнекамское водохранилище до сих пор не наполнено до проектной отметки в 68 м, и как следствие, почти не осуществляет регулирование стока [3].

Рис. 1. Вид на Нижнекамскую ГЭС (Фото ОАО «Татэнерго»)

263

Целью работы является обоснование целесообразности повышения отметки НПУ Нижнекамского водохранилища, выбор варианта отметки НПУ, который бы с наименьшими затратами решал комплекс проблем гидроузла. В рамках работы рассматривается проведение анализа современного состояния сооружений, оборудования, экологических последствий пониженной отметки НПУ, режима работы Нижнекамской ГЭС и оценка влияния повышения отметки водохранилища на экологию, энергетику, водный транспорт, рыбное хозяйство, сельское и лесное хозяйство, жилищно-коммунальную сферу.

Данная проблема установления постоянной отметки водохранилища остается нерешенной на протяжении последних десятилетий. Правительством России утверждена Энергетическая стратегия развития до 2030 г., где предусматривается подъем отметки Нижнекамского водохранилища.

На данный момент станция работает при отметках НПУ 63,3-63,4 м. Среднегодовая выработка электроэнергии составляет 1630 ГВт∙ч. Среднемноголетний сток в створе ГЭС оценивается в 89,3 км3. Полная и полезная ёмкость водохранилища при НПУ 63,3 м, 4,5/2,2 км3 соответственно [4]. Площадь зеркала водохранилища при НПУ 63,3 м и 68 м равна 1393 км2, 2701 км2 соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Поперечное сечение здания Нижнекамской ГЭС

Длительная эксплуатация Нижнекамской ГЭС при промежуточной отметке уровня воды привела к ряду негативных последствий.

Ухудшается санитарно-эпидемиологическая обстановка в зоне водохранилища, происходит постепенное разрушение береговых инженерных защит, причалов, пристаней, водозаборных сооружений [5].

Произошло образование мелководий на половине акватории водохранилища. Из-за этого водообмен происходит замедленно и вода загнивает. Водозаборы были построены с расчетом на проектную отметку в 68 м, а сейчас они забирают воду из заиливающихся отмелей. Площадь мелководий (глубина меньше двух метров) достигает 50%, хотя по санитарным нормам не должна превышать 20%.

Берегоукрепительные сооружения, построенные с расчетом на проектную отметку, при фактическом уровне водохранилища не выполняют свою роль и в течение 28-летнего срока эксплуатации, в значительной степени пришли в негодность, что привело к развитию активных абразионных, оползневых процессов и водной эрозии [6].

Наносится ежегодный ущерб объектам коммунального хозяйства, экономики и землям сельскохозяйственного назначения республики. Приближенный ущерб оценивается величиной более 6,5 млн. долл. (в ценах 2012 г.). Совокупный ущерб, наносимый Республике Татарстан в результате вредного влияния вод Нижнекамского водохранилища, составляет более 11,4 млн. долларов в год.

264

Затрудняется судоходство на реке. Загрузка крупнотоннажных судов, в том числе с экспортными грузами продолжает снижаться, перевозки становятся убыточными. Причиной снижения загрузки судов стали недостаточные для судоходства глубины на лимитирующем участке реки Кама. Глубины на этом участке за последние года уменьшились с 330 см до 270 см. при глубинах на смежных участках реки – до 400 см. Современные крупнотоннажные суда, созданные специально для транзитной глубины 400 см на Единой глубоководной системе России, вынуждены грузиться на осадку 300 см, то есть на 75% своей полной грузоподъемности [4]. Суда смешанного «река-море» плавания, следующие с экспортными грузами в зарубежные порты вынуждены идти с большим недогрузом (25% своей полной грузоподъемности), неся значительные дополнительные расходы. Убытки, подсчитанные только по четырем судоходным компаниям, работающим в регионе, составляют ежегодно более 100 млн. рублей.

Работа ГЭС на пониженном напоре приводит к тому, что турбинное оборудование работает в пограничной зоне разрешенной вибрации, что приводит к снижению КПД, повышенному износу агрегатов и частым ремонтам.

По предварительным расчетам, повышение отметки НПУ водохранилища позволит:

1)При аналогичных (как и при отметке НПУ 63,3 м) условиях режима работы увеличить среднегодовую выработку минимум на 40%.

2)Увеличить доли дешевой и экологически чистой энергии в топливно-энергетическом балансе республики, снизить потребление топлива на ТЭС в среднем на 130 млн. т у.т.

3)Снизить темпы роста тарифов на электрическую энергию и удерживать их одними из самых низких в Приволжском федеральном округе. Следует отметить, что имело место повышение цены на электрическую энергию за последний квартал на 7% [7].

4)Сократить удельный вес мелководий с 50 до 16 %.

5)Предотвратить ежегодные выбросы в атмосферу 13 тыс. т окислов серы и 11 тыс. т окислов азота [8].

6)Увеличить рыбное разнообразие в экосистеме реки Кама. Более полноводная река увеличивает площадь нерестилищ и способствует увеличению поголовья рыбы – карпа, сазана, карася, леща, язя, линя, плотвы, а также хищников – окуня, щуки [9].

ЛИТЕРАТУРА:

1.Кондауров А.И., Сидоренко Г.И. Анализ современного состояния Волжско-Камского каскада и проблемы его эксплуатации. Мат-лы НПК Неделя науки СПбГПУ, 2012, с. 136-137.

2.ОАО «Генерирующая компания» [Электронный ресурс]/75 лет ОАО «Татэнерго» – Режим доступа: http://www.tatgencom.ru/75/objects_gencom_nkges.html

3.Кондауров А.И., Сидоренко Г.И. Ретроспективный анализ связи выработки электроэнергии и водности для Чебоксарской ГЭС: материалы международной научно-технической конференции. СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. с. 8-11

4.Приказ Росводресурса от 28.10.2014 № 270 «Об утверждении Правил использования водных ресурсов Нижнекамского водохранилища на р. Каме».

5.Гидроэлектростанции России. М.: АО «Институт Гидропроект», 2001. 467 с.

6.Постановление от 16.03.2012. «Долгосрочная целевая программа «Охрана окружающей среды г.Нижнекамска и Нижнекамского муниципального района на 2012-2015 годы.». 2012. 106 с.

7.Постановление Правления Государственного комитета Республики Татарстан по тарифам от 30.12.2014 № 3-19/э. Цены (тарифы) на электрическую энергию для населения и приравненных к нему категорий потребителей Республики Татарстан на 2015 год. Казань. 2014.

8.Мингазова Н.М., Гимадеев М.М. Сводное заключение экспертной комиссии общественной экологической экспертизы по проектам ОАО «Волгаэнергопроект-Самара». – г. Набережные Челны.

2012. 58 с.

9.Щеповских А.И., Томаева И.Ф. Экономическая оценка биоразнообразия Республики Татарстан // Матлы II республиканской научно-практической конференции. –Казань: Отечество, 2003. С. 132-138.

265

УДК 621.22

А.Ю.Атрощенков Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЕ ОТ НАВОДНЕНИЙ ПОСЕЛЕНИЙ В АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ

При проектировании новых объектов гидроэнергетики особое внимание уделяется защите близлежащих территорий от затоплений в связи со строительством ГЭС. Цель данной работы – анализ мероприятий по инженерной защите посёлков, расположенных в нижнем бьефе Нижне-Бурейской ГЭС, на примере села Казановка в Амурской области.

Село Казановка находится на левом берегу реки Буреи в 39,3 км выше устья и на 45,3 км ниже проектируемого Нижне-Бурейского гидроузла на территории Архаринского района Амурской области. Село удалено от русла р. Буреи вглубь берега на 1,5-2 км и находится на берегу Казановского залива [1].

Вморфологическом отношении с. Казановка расположено на высокой пойме р. Буреи. Абсолютные отметки: поверхности террасы 103,0-108,5 м, строений 104,0-106,0 м. Поверхность высокой поймы сильно заболочена, со множеством проток и западин. Обширный заболоченный участок оконтуривает село с востока и северо-востока. Заболоченные участки встречаются и на территории села Казановка.

Основным источником питания водоносного горизонта является инфильтрация атмосферных осадков и, в меньшей степени, поверхностные воды. Разгрузка водоносного горизонта осуществляется р. Буреей. В период весеннего половодья, а также при выпадении обильных осадков, уровень в р. Бурее резко повышается и вызывает подпор грунтового потока.

При осуществлении инженерных мероприятий по защите с. Казановка, расположенного

внижнем бьефе Нижне-Бурейской ГЭС, должна обеспечиваться максимальная защита территории от затоплений и подтоплений весенними и летне-осенними паводками и зимними проектными уровнями р. Буреи.

Всоответствии с [2] населённые пункты подлежат защите от затоплений паводком 1% обеспеченности. Значения естественных и проектных уровней стока 1% обеспеченности в районе с. Казановка приведены в таблице 1.

После строительства и ввода в эксплуатацию Нижне-Бурейской ГЭС влияние гидрологического режима р. Буреи на район с. Казановка существенно снижается – уровень стока 1% обеспеченности уменьшается почти на 2 м относительно естественного.

Расчётные значения наивысших зимних уровней (многоводный год, январь, теплая зима) для территории с. Казановка составляет 100,27 м Балтийской системы (БС). В качестве расчётного расхода р. Буреи в проектных условиях, определяющего состав инженерных мероприятий по защите с. Казановка, принимается расход 1% обеспеченности, которому соответствует уровень 103,60 м БС.

Всоответствии топографической съёмкой (2014 года) затоплению паводком 1% обеспеченности 103,60 м БС подвергаются заболоченные участки территории – пойма ручья Улетуй и пониженные локальные зоны.

Согласно требованиям [3] норма осушения для жилых зон устанавливается в зависимости от исторически сложившейся глубины использования подземного пространства, а также видов грунтов основания. При расчётном уровне воды в р. Бурея 1% обеспеченности, равном 103,6 м БС в зоне подтопления будут находиться все здания и сооружения, размещенные на территории с отметками ниже 106,6 м БС.

266

Таблица 1

Значения естественных и проектных уровней стока 1% обеспеченности села Казановка

Для предотвращения подтопления в пределах селитебной территории с. Казановка с отметками от 104 до 106,6 м БС необходимо создание зоны, ограждённой защитной дамбой с принудительным отводом поверхностных вод с помощью насосной станции. Однако, учитывая статус населённого пункта с. Казановка с количеством населения на 01.01.2008 года – 42 человека, а также отсутствием на его территории важных промышленных, хозяйственных или сельскохозяйственных объектов, проектирование и реализация таких серьёзных мероприятий инженерной защиты является очень дорогостоящим и нецелесообразным.

В качестве основного мероприятия для защиты с. Казановка от подтопления более рациональным представляется вариант отвода поверхностных вод с территории села и разгрузка верхнего водоносного горизонта грунтовых вод в наиболее низкой и заболоченной части населенного пункта [4].

Трасса будущей открытой дрены должная проходить с юго-восточной части села через наиболее заболоченные участки с отводом в русло ручья Улетуй. Местоположение трассы выбирается в удалении от жилых строений на неиспользуемых землях с целью избежать наложения проектируемых сооружений на жилую застройку с приусадебными участками и огородами собственников.

Рис. Чертёж топографической съёмки местности с проектируемой дреной, трубопереездом, закрытой дренажной сетью, сбросным колодцем и отводящим участком

267

Таким образом, инженерные мероприятия защиты села Казановка предусматривают:

1.Проектирование закрытого трубчатого дренажа для водопонижения на застроенной территории.

2.Проектирование открытой дрены, трасса которой проходит по дну лога в северной части с. Казановка с отводом вод в Казановский залив. Одновременно производится выбор параметров открытой дрены с проведением ряда гидрологических расчётов. Трасса открытой дрены проходит по дну лога в северной части с. Казановка. Поперечное сечение дрены с шириной по дну канала, равной 1,75 м выполняется трапецеидальной формы с заложением откосов 1:2 и проектным уклоном дна 0,0015. Крепление откосов предусмотрено открытой дрены с обеих сторон гравийно-галечниковым грунтом толщиной слоя 0,30 м. Ширина насыпей – 3 м, установлена, исходя из условия установки на них экскаватора.

3.Проектирование трубопереезда безнапорного типа с установкой водопропускной трубы на участке протяженностью 554,5 м в месте пересечения открытой дрены с автомобильной дорогой общего пользования регионального значения «Новоспасск – Иннокентьевка» в Архаринском районе Амурской области. Металлическая труба диаметром 1 м.

4.Установку сбросного железобетонного колодца с устройством обратного клапана, препятствующего попаданию высоких уровней воды с Казановского залива в систему и на территорию села.

5.Проектирование отводящего участка от сбросного колодца до Казановского залива. Чертёж топографической съёмки местности с вышеперечисленными проектируемыми

объектами представлен на рисунке.

Выводы. После выполнения современной топографической съёмки и проведения новых гидрологических и геологический изысканий на территории с. Казановка, использования более современных материалов для изготовления дренажной системы, а также привлечения дополнительных источников финансирования данный проект может быть рассмотрен с уточнением мероприятий по инженерной защите территорий от затоплений.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Казановка (Амурская область) [Электронный ресурс]: Материал из Википедии – свободной энциклопедии: сохранённая в 08:29 UTC 12 октября 2014 / Электрон. дан. – Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2014. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Казановка_(Амурская_область)

2.СП 42.13330.2011. Свод правил. Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений. Актуализированная редакция СНиП 2.07.01-89* (Раздела 13 Инженерная подготовка и защита территорий).

3.СП 116.13330.2012 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения» Актуализированная редакция СНиП 22-02-2003 п.10.2.5.

4.Приказ № 232 от 26.08.2005 Об утверждении сводного сметного расчета стоимости мероприятий по подготовке водохранилища Бурейской ГЭС с учетом перераспределения затрат по объектам [Электронный ресурс]: GOSTRF.COM Москва – Электронные данные. – Режим доступа: http://gostrf.com/norma_data/46/46121/ – Загл. с экрана.

УДК 620.98

Р.Кивихарью, В.М.Петров Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ В РОССИИ

В настоящее время становятся очевидны экологические проблемы, связанные с деятельностью топливно-энергетического комплекса, а также наблюдается постоянный рост стоимости топлива, его разведки, добычи и доставки. Данные проблемы служат

268

предпосылкой для разработки мер повышения энергоэффективности и развития возобновляемых источников энергии [1]. Одним из направлений современной строительной практики является повышение энергоэффективности зданий и сооружений. В настоящее время наиболее актуальным направлением энергоэффективности является полная энергетическая автономность здания, которая недостижима только за счет средств энергосбережения и в зданиях необходимы собственные системы генерации электроэнергии.

Цель работы – определение наиболее перспективных типов фотоэлектрических модулей (ФЭМ) для применения в условиях России на основе аналитического обзора современного состояния фотоэлектрических технологий.

Для целей повышения энергоэффективности городской застройки оптимальным решением может являться применение солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ), так как их внедрение возможно без использования дополнительных территорий, а при условии интеграции в ограждающую конструкцию здания, не только не изменяет архитектурный облик городской застройки, но и может предоставить простор для новых архитектурных решений. Выделяют два основных варианта применения ФЭМ в здании [2]:

размещение и закрепление ФЭМ поверх ограждающей конструкции здания (building applied photovoltaics, BAPV);

замена частей ограждающих конструкций здания встраиваемыми ФЭМ (building integrated photovoltaics, BIPV).

Фотоэлектрические технологии. На сегодняшний день выделяют три поколения фотоэлектрических технологий [3]:

1.Первое поколение ФЭМ на основе кремниевых моно- и поликристаллических полупроводниковых панелей. Их КПД – 18,5-25,6 %.

2.Второе поколение ФЭМ: тонкопленочные ФЭМ на основе кристаллического и аморфного кремния, кадмий-теллура, селенида меди-индия-галлия или арсенида галлия. Их КПД варьируется в пределах от 10,9 до 20,5 %.

3.Третье поколение ФЭМ на основе нанотехнологий, переход к которому еще не осуществлен и планируется в ближайшие 10-20 лет.

В 2014 г. доля кремниевых ФЭМ на рынке составила 92%, при этом 56% из них изготовлены из поликристаллического кремния. Доля рынка тонкопленочных ФЭМ составляет 9%, однако в последние годы увеличивается наиболее быстрыми темпами. В тонкопленочных солнечных элементах полупроводниковый материал наносится на подложку слоем толщиной менее 10 мкм, в отличие от кристаллических, где толщина полупроводникового слоя составляет более 100 мкм, что способствует сокращению дорогостоящего полупроводникового материала. Также низкие температуры при производстве в процессе нанесения полупроводника позволяют использовать в качестве подложек такие материалы, как стекло и различные гибкие полимеры. Эти факторы определяют более низкую стоимость производства тонкопленочных ФЭМ по сравнению с кристаллическими. Небольшая необходимая толщина слоя полупроводника, лёгкость, пониженная температурная деградация и возможность изготовления полупрозрачных модулей делают подобные ФЭМ перспективными для применения в условиях городской застройки. На рисунке 1 представлен график производства тонкопленочных ФЭМ. На 2014 г. наибольшую долю производства занимают ФЭМ, изготовленные по технологии на основе теллурида кадмия (CdTe) и селенида меди-индия-галлия (CI(G)S), 1,9 ГВт и 1,7 ГВт соответственно [4].

Особенности климатических и географических условий России. При выборе оборудования для СФЭУ необходимо учитывать приход солнечного излучения на ориентированную поверхность, который зависит от следующих факторов [4]:

Географические координаты объекта.

Климатические условия в рассматриваемый период времени.

Затенение поверхности соседними объектами.

269

Рис. 1. График производства тонкопленочных ФЭМ

Географический фактор оказывает влияние на угол падения солнечных лучей на поверхность земли. В первую очередь данный фактор необходимо учитывать при выборе угла наклона относительно земной поверхности и ориентации ФЭМ [5]. В силу климатических условий, наиболее перспективными для внедрения СФЭУ являются южные регионы России как на западе, так и на востоке [6]. В данных районах особенно актуально использование автономных систем электроснабжения ввиду отсутствия централизованного электроснабжения и труднодоступности многих объектов.

Во многих северных регионах России, в связи с малым количеством солнечных дней в году, высока доля диффузной компоненты СИ (до 50-60%), что оказывает немаловажное влияние на выбор типа ФЭМ. В стандартных тестовых условиях (E = 1000 Вт/м2, T = 25оС, AM = 1,5), в настоящее время эффективность и удельная стоимость кристаллических ФЭМ выше тонкопленочных. Однако, ФЭМ на основе тонкопленочных технологий отличаются повышенной способностью к поглощению СИ, устойчивостью КПД и вольт-амперной характеристики при высоких рабочих температурах и слабой интенсивности СИ. На рисунке 2 представлен график зависимости КПД ФЭМ на основе монокристаллического кремния и тонкопленочного ФЭМ на основе аморфного кремния в реальных климатических условиях г. Санкт-Петербурга 22 апреля 2015 г. (пасмурный день).

Рис. 2. Зависимость КПД ФЭМ на основе монокристаллического кремния и модуля на основе аморфного кремния в реальных климатических условиях г. Санкт-Петербурга

270