3.1. МикроГэс

МикроГЭС – один из наиболее ранних видов ГЭС в истории развития гидроэнергетики. Созданная в 1940-е годы номенклатура гидротурбин включала все основные типы, применявшиеся в гидроэнергетике: радиально-осевые, пропеллерные, ковшовые.

В СССР строительство микроГЭС в пятидесятые годы осуществлялось в крупных масштабах. Они обеспечивали коммунально-бытовые потребности в электроэнергии сельских населенных пунктов, мелких промышленных объектов и др.

Сооружение микроГЭС возможно для энергоснабжения изолированных от энергосистемы (или требующих резервирования) потребителей. Например, микроГЭС мощностью 100 кВт может обеспечить электроэнергией сельский поселок с населением 200 человек или животноводческий комплекс на 300 голов крупного рогатого скота. МикроГЭС могут быть не только источником электроэнергии, но и прямым приводом различных машин.

Для применения микроГЭС особенно перспективны объекты со значительным преобладанием энергопотребления в летний период над зимним, поскольку множество малых рек в зимний период практически не имеет стока, а сезонное его регулирование существенно снижает экономическую эффективность микроГЭС.

Применительно к различным природным условиям можно выделить два типа микроГЭС: реализующие потенциальную энергию и реализующие кинетическую энергию водотока.

Примерами первого типа являются микроГЭС с традиционным оборудованием, русловые либо деривационные, а также рукавные малые переносные гидроэлектростанции (РПМГЭС) (разновидность деривационных).

В настоящее время налажено производство РПМГЭС мощностью 1,5 кВт на Чебоксарском заводе «Энергозапчасть». РПМГЭС состоит из гидроэнергоблока, напорного водовода длиной 100 м, блоков возбуждения и регулирования. Гидроэнергоблок включает в себя направляющее устройство, формирующее струю воды, и двукратную турбину, соединенную с электрогенератором. Водовод представляет собой гибкий рукав, который прокладывается по берегу, спрямляя извилистый водоток. В верхней части рукава имеется водозаборник с регулятором расхода, в качестве генератора используется асинхронный электродвигатель. Применение РПМГЭС ограничивается водотоками горного типа с уклоном 6 м на 100 м рукава. В отдельных случаях при наличии водонапорной плотины неэнергетического назначения РПМГЭС может использовать напор на плотине. Для увеличения мощности РПМГЭС необходимо увеличить либо напор за счет увеличения длины рукава, либо расход за счет увеличения диаметра рукава, но то и другое приведет к увеличению массы всей установки и потере её мобильности.

МикроГЭС кинетического типа устанавливаются непосредственно в водотоке. Примерами их являются разработанные и применявшиеся в СССР гирляндные ГЭС конструкции Б. С. Блинова, триплексная вертикальная Ю. М. Новикова, штанговая плоскопараллельная и плоскоподъемная М. И. Логинова и др.

Известны поперечные и торцовые гирляндные ГЭС. Поперечная гирляндная ГЭС состоит из нескольких гидротурбин, жестко закрепленных на стальном тросе (выполняющем роль гибкого вала), редуктора и гидрогенератора. Трос с гидротурбинами располагается в воде поперек реки и удерживается на обоих берегах якорями или анкерными опорами. Сила лобового сопротивления гирлянды гидротурбин при обтекании ее водным потоком натягивает трос. Благодаря этому гирлянда не опускается на дно реки, и создаются условия для передачи крутящего момента от гидротурбины к тросу, а от него к редуктору, расположенному на берегу. На узких водотоках возможна установка торцовой гирляндной ГЭС вдоль берега. Рост мощности таких ГЭС достигается увеличением числа турбин на одном тросе, а также увеличением количества гирлянд, работающих на один электрогенератор. При внешней простоте гирляндные ГЭС не получили широкого применения из-за незащищенности от плавающих предметов и невозможности работы при значительных колебаниях уровня водотока.

Фирмой «МНТО ИНСЭТ» выпускаются микроГЭС широкого диапазона расходов и напоров. В комплект поставки входят энергоблок, водозаборное устройство и устройство автоматического регулирования. На рис. 1.6 дана схема установки микроГЭС «ИНСЭТ» при существующем напорном фронте.

Рисунок 3.2 – Схема установки микроГЭС

Имеется успешный опыт эксплуатации оборудования на перепадах уже существующих плотин, каналов, систем водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий и объектов городского хозяйства, очистных сооружений, оросительных систем и питьевых водоводов. Более 150 комплектов оборудования поставлено заказчикам в различные регионы России, страны СНГ, а также в Японию, Бразилию, Гватемалу, Швецию и Латвию.

Основные технические решения, использованные при создании оборудования, выполнены на уровне изобретений и защищены патентами. Оборудование изготавливается серийно и отличается высокими технико-эксплуатационными показателями.

Основные технические характеристики микрогидроэлектростанций.

Таблица 3.2 – Микрогидроэлектростанции с пропеллерными турбинами

Параметры	10ПР	10ПР	15ПР	15ПР	50Пр
1	2	3	4	5	6
Напор, м	0,6 – 4,0	2,2 – 4,0	1,3 – 5,0	3,5 – 15,0	10,0 – 50,0
Мощность, кВт	1,0 – 4,5	1,5 – 8,0	1,75 – 3,5	3,5 – 7,0	4,0 – 10,0
Расход, м3/с	0,07 – 0,14	0,10 – 0,21	0,10 – 0,20	0,15 – 0,3	0,36 – 0,80

Продолжение таблицы 3.2

1	2	3	4	5	6
Частота вращения, мин-1	1000	1500	1000	1500	600, 750
Номинальное напряжение, В	230 +15 –30	230 +15 –30	230 +15 –30	230 +15 –30	230 +15 –30
Номинальная частота тока, Гц	50 +2,5	50 +2,5	50 +2,5	50 +2,5	50 +2,5

Таблица 3.3 – Микрогидроэлектростанции с диагональными турбинами

Параметры	50D	100D
Мощность, кВт	10 – 50	до 100
Напор, м	10 – 25	25 – 55
Расход, м3/с	0,05 – 0,28	0,19 – 0,25
Частота вращения, мин-1	1500; 3000	3000
Номинальное напряжение, В	230 + 15 –30 | 400 +25 –50	230 +15 –30 | 400 +25 –50
Номинальная частота тока, Гц	50 +2,5	50 +2,5

Таблица 3.4 – Гидроагрегаты с пропеллерными турбинами

Параметры	ГА1	ГА8	Пр15	Пр30
Мощность, кВт	100 – 330	150 – 1350	до 130,0	до 290,0
Напор, м	1,0 – 9,0	9,0 – 25,0	2,0 – 12,0	4,0 – 30,0
Расход, м3/с	2,3 – 6,2	2,5 – 7,0	0,44 – 1,5	0,38 – 1,3
Частота вращения, ротора турбины, мин-1	200 – 350	500; 600	600; 750; 1000	750; 1000; 1500
Номинальное напряжение, В	400; 6000	400; 6000; 10000	230/400	230/400
Номинальная частота тока, Гц	50 +2,5	50 +2,5	50 +2,5	50 +2,5

Таблица 3.5 – Гидроагрегаты с радиально-осевыми турбинами

Параметры	ГА2	ГА4	ГА9	ГА11
Мощность, кВт	1000	750	3300	5800
Напор, м	30 – 100	25 – 60	70 – 120	80 – 160
Расход, м3/с	0,4 – 1,2	0,4 – 1,4	0,8 – 3,2	1,0 – 4,3
Частота вращения, ротора турбины, мин-1	1000; 1500	1000	750; 1000	750; 1000
Номинальное напряжение, В	400; 6000	400; 6000	6000; 10000	6000;10000
Номинальная частота тока, Гц	50 +2,5	50 +2,5	50 +2,5	50 +2,5

Таблица 3.6 – Гидроагрегаты с ковшовыми турбинами

Параметры	ГА5	ГА10
Мощность, кВт	145 – 620	290 – 3000
Напор, м	150 – 250	200 – 450
Расход, м3/с	0,13 – 0,33	0,19 – 0,90
Частота вращения, ротора турбины, мин-1	500 – 600	750 – 1000
Номинальное напряжение, В	400; 6000	400; 6000; 10000
Номинальная частота тока, Гц	50 +2,5	50 +2,5

Таблица 3.7 – Выпуск Иркутской фирмой «ЭСТ» серийных установок для микро ГЭС со следующими характеристиками:

Модель	Мощность	Напряжение тока, В	Номинальная частота тока, Гц	Напор, м	Расход, м3/с	Цена
10 Пр	до 10 кВт	230	50	1 – 4,5	0,07 – 0,14	198 000 р.
50 Пр	до 50 кВт	230 / 400	50	1,0 – 10,0	0,36 – 0,80	896 000 р.

Харьковским ГПО «Монолит» выпускаются установки микроГЭС, предназначенная для электроснабжения потребителей в местах, удаленных от линий электропередач, расположенных возле водоемов, обеспечивающих создание рабочего напора от 2,5 до 7 м водяного столба с расходом воды для мощностей:

Таблица 3.8 – Характеристики установок микроГЭС Харьковского ГПО «Монолит»:

Мощность, кВт	Расход воды, м3/с
5	0,16 (оптимальный)
5 – 10	0,5 (максимальный)
15 – 50	0,4 – 1,3

В комплект микро ГЭС входят:

1) энергоблок, состоящий из гидротурбины и трехфазного генератора переменного тока;

2) блок(и) регулирования напряжения и частоты (для генератора мощностью 5 или 10 кВт – 1 блок, для генератора мощностью 15, 25, 50 кВт соответственно 2,3 и 5 блоков с модулем распределителем);

3) комплекты нагрузочных сопротивлений и кабелей.

Простота конструкции и надежность работы оборудования не требует специальной подготовки при монтаже и обслуживанию Микро ГЭС.

Таблица 3.9 – Основные технические характеристики

Диапазон мощности генератора	5 – 50 кВт
Номинальное фазное напряжение	220 В
Род тока	переменный синусоидальный трехфазный
Номинальная частота,	50 Гц
Отклонение напряжения при изменении автономной нагрузки от 10 % до 100 % номинальной мощности,	не более 5 %
Установившееся отклонение напряжения при неизменной симметричной нагрузке,	не более 3 %

Существуют новые разработки по «двигателям для утилизации энергии текущей среды» или безплотинных ГЭС нового поколения. Предлагается оригинальный, ранее не использовавшийся ни в одной из существующих конструкций, способ использования энергии как водного потока любого вида (рек, ручьев, приливов, морской волны и т.д.) так и движения воздушных масс. При этом используется естественный поток, без предварительного преобразования (строительства дамб, каналов, напорных труб).

Данный способ отбора мощности водного потока является наиболее выгодным и с экологической точки зрения, так как совершенно не нарушает естественного русла реки, занимая от 1 % до 10 % площади, тем самым, не препятствуя свободному перемещению речной фауны и флоры в отличие от существующих ГЭС.

Конструкция представляет собой систему (два ряда) лопастей прямоугольной формы (плоская пластинка) оси которых делят их на две не равные части, большая из которых всегда (за счёт действия потока) находится за осью дальше по потоку. Тем самым достигается минимальное её вращение вокруг своей оси и, следовательно, наименьшие турбулентные завихрения. Оси лопастей своей верхней и нижней частями, в свою очередь, закреплены на верхней и нижней, замкнутых в кольца – цепях ПРЛ (либо на любом другом гибком элементе). Цeпи передают усилие через звёздочки (рабочие колёса) на два вертикальных вала, с которых механическая энергия движущейся среды (воды, воздуха и т.п.) через гибкую муфту и промежуточный вал передаётся на валы электрогенераторов. Валы установки через подшипники скольжения (качения) жёстко закреплены на каркасе установки, имеющим закрытые на 2/3 боковые и глухую нижнюю стенки, что не препятствует поступлению дополнительной воды из окружающего потока через верх и 1/3 боковых стенок установки. В одном каркасе рационально размещать минимум три установки.

Положение лопастей по отношению к основному потоку регулируется неподвижными направляющими для цепи и подвижными для большей из сторон лопасти, а, меняя расстояние между подвижной направляющей для лопасти и неподвижной для цепи мы задаем необходимый угол поворота между лопастью и направлением основного потока от 0 ° до 45 °, добиваясь тем самым оптимального режима работы установки либо останавливая её полностью. Таким образом, поток воздействует на лопасть фактически перпендикулярно, под 90 °. Один из валов установки имеет натяжное устройство, регулирующее натяжение цепей. Лопасти должны иметь свободу вращения на своих осях, а оси так же свободно вращаться в креплениях к цепям. Между лопастью и местом крепления к цепи на осях должны устанавливаться ролики, которые и будут двигаться по неподвижным направляющим, удерживая тем самым цепь постоянно в перпендикулярном положении относительно направления основного потока.

В отличие отныне существующих источников электроэнергии данная конструкция создавалась «подручной», приемлемой для ручного изготовления, монтажа и обслуживания. Она позволяет использовать комплектующие из уже выпускающегося на сегодня оборудования: сельскохозяйственная техника, отслужившего свой срок автотранспорта и т.п.

Размеры лопастей, их количество, соответственно и прочность цепи подбираются в зависимости от ширины и глубины реки, а количество установок в длину реки – от необходимой мощности потребления.

Под принятые характеристики изготавливается соответствующий корпус, желательно из трубы, для получения дополнительной плавучести. Каркас делается разборным, что позволит собирать его на месте эксплуатации без привлечения грузоподъёмных механизмов.

Размеры блоков не ограничены, в зависимости от необходимой мощности и размеров реки.

Именно это и позволяет наиболее полно использовать каждый кубический метр потока движущейся среды и использовать возникающие центробежное и центростремительное ускорения, значительно увеличивающие как скорость движения потока, так и действие силы тяжести, разделённого на секции, потока движущейся среды. В нашем случае – реки.

Рисунок 3.3 – Гидроэнергоблоки безплотинных ГЭС нового поколения с двумя установками

Рисунок 3.4 – Микро ГЭС в сборе

Рисунок 3.5 – Поток на выходе установки υ = 3,14 м/с

(отсутствие торсионных полей)

Рисунок 3.6 – Поток на входе в установку υ = 1 м/с