ГЛАВА 4. МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

4.1. Микрогидроэлектростанции

Существенное место по запасам и масштабам использования занимает энергия потоков воды. Объясняется это высокой энергетической плотностью потока воды и относительной временной стабильностью режима стока больших рек. Большая плотность воды по сравнению с воздухом (в 846 раз) определяет, при прочих равных условиях, соответствующее уменьшение массогабаритных и стоимостных показателей рабочего колеса гидротурбины по сравнению с ветроколесом. Гидроэлектростанции (ГЭС) производят более дешевую электроэнергию по сравнению с ветроэлектростанциями, а также с энергоустановками, использующими другие виды возобновляемых энергоресурсов [17,18].

Следует отметить, что ГЭС могут устанавливаться практически на любых водотоках: от небольших ручьев до крупнейших рек. Соответственно изменяется и мощность их гидроагрегатов. В настоящее время принята следующая классификация ГЭС: станции мощностью до 100 кВт – микро-ГЭС, от 100 до 1000 кВт – мини-ГЭС, от 1000 до 10000 кВт – малые ГЭС и свыше 10000 кВт – крупные гидроэлектростанции.

Станции класса «мини» и более мощные обычно используют в своей конструкции плотину, обеспечивающую запас воды в водохранилище и необходимый напор воды в гидротурбине.

Микрогидроэлектростанция – автономная установка, предназначенная для электроснабжения потребителей в местах, удаленных от линий электропередач, расположенных возле водоемов, обеспечивающих создание рабочего напора.

Микро-ГЭС отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений. Они могут строиться, как и более мощные станции, с использованием плотины, могут быть деривационного типа с использованием напорного трубопровода или канала. Наконец, микро-ГЭС могут устанавливаться в речной поток без всяких гидротехнических сооружений – свободнопоточные микро-ГЭС.

Обычно микро-ГЭС содержат в своей конструкции такие обязательные элементы как гидротурбина, электромашинный генератор, система стабилизации выходного напряжения и ряд элементов, наличие и конструкция которых зависят от типа и особенности станции: определенные гидротехнические сооружения, запорная арматура, балластные нагрузки и т. д.

В случае, когда частота вращения гидротурбины микро-ГЭС мала (практически менее 400 об/мин) целесообразно применение мультипликаторов. Это позволяет добиться максимального КПД преобразования и минимальной массы установки в целом.

100

В качестве гидродвигателей, преобразующих энергию потока в механическую энергию приводного вала генератора, в той или иной степени используются все типы гидротурбин: поворотно-лопастные, радиальноосевые, импульсные, ковшовые, капсульные, турбины с горизонтальной и наклонной осями вращения и т. д.

Как правило, микро-ГЭС не требуют возведения сложных гидротехнических сооружений – плотин. Поэтому их турбины устанавливаются либо в свободном потоке воды, либо в специальном напорном трубопроводе. Для работы в свободном потоке воды применяют, в основном, гидротурбины активного типа, типичным примером которых могут служить водяные мельницы (рис. 4.1). Достоинством активных турбин является их максимальная простота и и относительная жесткость механических характеристик. Тем не менее, низкая частота вращения и малый КПД активных гидродвигателей ограничивает их применение в гидроэнергетике.

Рис. 4.1. Схема работы активной турбины: 1 верхний бьеф; 2 трубопровод; 3 сопло;4 рабочее колесо;5 кожух; 6 отклонитель; 7 лопасти (ковши);

8 нижний бьеф

Напорный трубопровод позволяет повысить энергию рабочего потока воды, применять более эффективные типы гидротурбин реактивного типа. Мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется из выражения:

101

не будет зависеть от водного режима реки, если ее минимальный сток превышает количество воды, поступающей в трубопровод. Диаметр трубопровода и перепад высот между его верхней и нижней точкой определяют расчетную мощность станции. Трубопровод микро-ГЭС может выполняться из стальных, бетонных, резиновых и других труб, широко применяемых в оросительных системах. Его стоимость существенно зависит от рельефа местности, определяя целесообразность применения микро-ГЭС , прежде всего в горных районах с большими уклонами русла реки. Правильное использование рельефа местности, а также простейшие сооружения деривационных каналов, во многих случаях, позволяют уменьшить длину, а соответственно, и стоимость напорного трубопровода.

Деривационные микро-ГЭС также делятся на два типа: с безнапорной и с напорной деривацией. Сооружения деривационных ГЭС располагаются в двух узлах – головном и станционном, соединенных между собой деривацией [19].

Головной узел микро-ГЭС с безнапорной деривацией (рис. 4.2) состоит из плотины с водосбором и поверхностного водоприемника, а в случае надобности, в нем дополнительно размещаются отстойник, грязеспуск, шугосброс и водоприемник для неэнергетических потребителей воды.

Безнапорная деривация устраивается в виде открытого канала. Там, где деривационный канал пересекается с поперечно направленными оврагами, долинами, ручьями и реками, создаются сооружения для пропуска воды под или над каналами – дюкеры, трубы под каналами, лотки над каналом, а иногда и крупные мосты – акведуки для пересечения каналом широкой поперечной долины. У станционного узла канал заканчивается и переходит в напорный бассейн, откуда вода по турбинным трубопроводам поступает к турбинам, расположенным в здании ГЭС, и далее в отводящий канал и реку.

102

Рис. 4.2. Схема сооружений ГЭС с безнапорной деривацией

Когда местность сильно пересеченная и для безнапорной деривации нет благоприятных условий, устраивается деривация в виде туннеля или трубопровода (рис. 4.3). В этих случаях поперечное сечение водовода полностью заполнено водой.

Головной узел также включает в качестве основных сооружений плотину с водосбросом и водоприемник. Однако плотина здесь более высокая, а водоприемник – глубинный, что позволяет непрерывно забирать воду при больших колебаниях уровня воды в водохранилище.

Станционный узел (в отличие от микро-ГЭС с безнапорной деривацией) часто имеет уравнительный резервуар, основное назначение которого – борьба с возможными гидравлическими ударами при нестационарных режимах в турбинных водоводах, по которым вода поступает в турбины.

Здесь перечислены лишь основные сооружения и не описаны условия их работы и конструкции. Отметим, что нет микро-ГЭС, которые по составу и компоновке сооружений были бы полностью идентичны. Каждая микро-ГЭС в своем роде неповторима.

Рис. 4.3. Схема сооружений ГЭС с напорной деривацией

103

Таким образом, на данный момент существует два типа микро-ГЭС : высоконапорная (рис. 4.4) и низконапорная станции (рис. 4.5). Основные характеристики высоконапорной микрогидроэлектростанции представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Качественные и функциональные высоконапорной микро-

гидроэлектростанции фирмы EXMORK

Рис. 4.4. Общий вид и схема установки высоконапорной микро-ГЭС

В комплектацию установки входит:

рабочий орган – турбина типа Турго (Turgo) c 24 лопастями из нержавеющей стали и 2 регулируемыми соплами, работающая при напоре воды высотой от 18 до 20 метров и расходе воды от 0,018 до 0,030 м3 в секунду;

104

электронная часть с контроллером и инвертором обеспечивает работу электростанции как в автономном режиме, так и при включении в существующую однофазную сеть 220 В;

однофазный электрогенератор с характеристиками: мощность 3 000 Вт, напряжение 230 В, частота тока 50 Гц, сила тока 13 А, число оборотов в минуту 1500, работа на высоте до 3 000 метров, степень изоляции В/В, степень защиты IP44, температурный режим работы от –25 до +50 °С

и атмосферной влажности ≤ 90 %;

контрольная панель из стеклопластика с защитами от замыкания, пробоя изоляции, перегрузки, обрыва цепи заземления;

сертификат соответствия ISO 9001: 2000 и сертификат соответствия электрическим стандартам IEC/CE 11801.

Основные характеристики низконапорной микро-ГЭС представлены

втабл. 4.2.

Таблица 4.2 Качественные и функциональные характеристики низконапорной

микрогидроэлектростанции фирмы EXMORK

Рис. 4.5. Общий вид низконапорных микро-ГЭС

Вкомплектацию установки входит:

рабочий орган – вертикальная трубчатая турбина с электрическим КПД 60 %;

105

однофазный электрогенератор с характеристиками: мощность 3 000 Вт, напряжение 230 В, частота тока 50 Гц, сила тока 13 Ампер, число оборотов в минуту 1500, работа на высоте до 3000 метров, степень изоляции В/В, степень защиты IP44, температурный режим работы от -25 до 50 °С и атмосферной влажности ≤ 90 %;

контрольная панель из стеклопластика с защитами от замыкания, пробоя изоляции, перегрузки, обрыва цепи заземления;

сертификат соответствия ISO 9001: 2000 и сертификат соответствия электрическим стандартам IEC/CE 11801.

Применительно к низконапорным микро-ГЭС, преимущественное распространение получили реактивные гидротурбины пропеллерного типа

сноминальной частотой вращения от 1000 до 3000 об/мин. Этот тип турбин позволяет исключить мультипликатор из состава гидроустановки.

ВСибирском федеральном университете (СФУ) под руководством профессоров А. Л. Встовского и М. П. Головина разработаны эскизные проекты торцевых синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов, которые имеют частоту вращения от 75 об/мин до 1500 об/мин и позволяют применять их в микро-ГЭС без мультипликатора (масса и габариты этих генераторов в сравнении с серийно выпускаемыми с учётом массы мультипликатора ниже на 35–40 %, ниже будет и их стоимость в условиях отлаженного серийного производства). Определены скорость течения, глубина и ширина некоторых рек Сибири, на которых возможна установка погружных свободно-поточных микро-ГЭС мощностью до 50 кВт в модуле

(рис. 4.6).

Рис. 4.6 Погружная свободно-поточная микроГЭС

Разработанная в СФУ конструкция микро-ГЭС на базе торцевого генератора с приводом от ортогональной турбины позволила создать автономный источник энергоснабжения, по количественным и качественным показателям не имеющий аналогов в мировой практике. Конструкция автономной

106