Большое будущее малых ГЭС

Большое будущее малых ГЭС

Одно из наиболее перспективных направлений в развитии нетрадиционной энергетики в России – освоение энергии небольших водотоков с помощью микро- и мини-ГЭС. Это связано, прежде всего, со сравнительной простотой их строительства и эксплуатации, а также с большим энергетическим потенциалом малых рек.

Свободный ресурс

К малой гидроэнергетике принято относить гидроэнергетические объекты разного типа с установленной мощностью менее 25 МВт, в том числе совсем небольшие – микроГЭС мощностью от 3 до 100 кВт. Использование гидроэлектростанций таких мощностей для нашей страны – далеко не новое явление: в 1950–1960-х гг. в СССР действовало более шести тысяч подобных станции. Сегодня же в России их насчитывается всего несколько сотен, что явно меньше наших возможностей и потребностей.

Принципиально важно отметить, что в малой гидроэнергетике нет необходимости строить крупные гидротехнические сооружения и затапливать большие территории водохранилищами. Маленькая станция может быть установлена практически на любой реке или даже ручье, что особенно актуально для России, где зоны децентрализованного энергоснабжения охватывают более 70% территории страны, на которой проживают около 20 млн человек. Мини-ГЭС может применяться для энергоснабжения дачных посёлков, фермерских хозяйств, хуторов, а также небольших производств в труднодоступных районах – там, где строить и содержать электрические сети невыгодно.

Такая микроГЭС способна полностью обеспечивать
электричеством небольшой частный дом

Основные ресурсы малой гидроэнергетики России сосредоточены в горных районах республик Северного Кавказа, в Ставропольском и Краснодарском краях, на Среднем Урале, в Южной Сибири, Прибайкалье и на Дальнем Востоке.

Виды станций

Конструкция типовой малой ГЭС базируется на гидроагрегате, который включает в себя турбину, водозаборное устройство и элементы управления. В зависимости от того, какие гидроресурсы задействованы малыми гидростанциями, их делят на несколько категорий:
• русловые или приплотинные с небольшими искусственными водохранилищами;
• основанные на существующих перепадах уровней воды;
• использующие энергию свободного течения рек.

По величине напора выделяют низконапорные (Н < 20 м), средненапорные, (Н = 20–75 м) и высоконапорные (Н > 75 м) малые гидроэлектростанции.

Спецтурбины

Как и на крупных станциях, на малых ГЭС, используются пропеллерные, радиально-осевые и ковшовые турбины (более подробно о них см. «Энерговектор» № 5/2014 г.) соответствующих размеров и модификаций. Чаще применяются пропеллерные турбины и турбины Френсиса.

Мини-ГЭС устраивают непосредственно в потоке воды или на небольших водохранилищах, которые не могут обеспечить достаточного регулирования стока. Отсюда одна из основных проблем эксплуатации малых ГЭС – непостоянный расход воды. В период зимней и летней межени сток реки минимален, тогда как во время весеннего половодья объём воды может быть достаточно большим. По этой причине турбины, используемые на мини-ГЭС, должны быть способны работать как при минимальном, так и при максимальном стоке с наибольшей производительностью.

Серийная ковшовая микротурбина на основе колеса Пелтона

Таким свойством обладают, например, радиальные двухкамерные проточные турбины системы Ossberger производства одноимённой немецкой компании. Стандартное соотношение размеров камер – 1:2. Малая камера предназначена для низких расходов, большая камера открывается при средних расходах (при этом малая камера закрывается). Обе камеры работают при полном расходе. В результате поток воды величиной 12–100% от расчётного максимума используется с наибольшей эффективностью (КПД более 80%), причём турбина запускается при расходе всего 6%.

Существует множество типов конструкций малых ГЭС, проектируемых с учётом различных условий применения. Конечно, охватить их все в этой статье не удастся, поэтому остановимся на некоторых оригинальных разработках.

Гирлянды и рукава

Советский инженер Б. С. Блинов изобрёл и в 1950–1960-х годах впервые применил гирляндные ГЭС для малых рек и рукавные ГЭС для малых рек и ручьёв с дебитом воды более 50 л/с. Гирляндная мини-ГЭС состоит из лёгких турбин – гидровингроторов, нанизанных в виде гирлянды на трос, который переброшен через реку. Один конец троса закреплён за ось в опорном подшипнике, второй – за ротор генератора. Трос в этом случае играет роль своеобразного вала, вращение которого передаётся к генератору. Одна гирлянда турбин (энергоблок) обеспечивает мощность от нескольких десятков ватт до 5–15 кВт. Такие энергоблоки можно объединять, заставляя их работать на общую нагрузку и повышая тем самым мощность гидростанции.

Труба рукавной микроГЭС укладывается по склону вдоль водотока

Для устройства рукавной микроГЭС на реке или ручье строится небольшая плотина, к отверстию в которой прикрепляется труба-шланг, уложенная вниз по склону вдоль водотока до электрогенератора. Перепад высот от плотины до генератора должен быть не менее 4–5 м. Вход в «рукав» располагают так, чтобы захватить среднюю, самую быструю, часть течения реки, и воду по сужающемуся каналу подводят к турбинам. Установленная мощность такой станции может варьироваться от 1 до 100 кВт. В 70-х годах прошлого века гидроагрегаты для рукавных микроГЭС выпускались серийно на предприятиях сельхозмашиностроения.

Водоворот энергии

Интересную конструкцию для малых ГЭС в 2003 г. запатентовал изобретатель из Австрии Франц Цотлётерер. Он назвал свой проект «Технический водоворот», а мини-ГЭС – «Водоворотно-гравитационной станцией».

При строительстве станции Цотлётерера часть воды из водотока отводится в бетонный канал, проложенный вдоль береговой линии. Канал завершается бетонным цилиндром, внизу которого выполнено выпускное отверстие с жёлобом-отводом. Вода поступает в цилиндр по касательной и, подчиняясь силе гравитации, стремится вниз, закручиваясь по спирали. В центре находится турбина, её то и раскручивает водоворот (средняя скорость вращения турбины – 30 об./мин.). На водоворотной мини-ГЭС, построенной на ручье с перепадом высоты в 1,3 м и работающей при расходе воды 0,9 м3/с, мощность достигает 9,5 кВт, выработка за год – порядка 35000 кВт/ч. В такой мини-ГЭС КПД доходит до 74%.

Водоворотно-гравитационная мини-ГЭС не повредит рыбе

Водоворотно-гравитационная ГЭС отличается от станций других видов особенно бережным отношением к биоресурсам реки: скорость вращения турбины всегда остаётся достаточно низкой, и для рыбы лопасти рабочего колеса турбины не представляют опасности. К тому же лопасти воду не рассекают, а поворачиваются вместе с потоком. Ещё один экологический плюс этого проекта – хорошая аэрация воды и перемешивание в водовороте разного рода загрязнителей. Всё это способствует более интенсивной жизнедеятельности микроорганизмов, которые естественным образом очищают воду.

Речные звёзды

В 2008 г. компания Bourne Energy (Калифорния) разработала генераторные установки RiverStar («Речная звезда») для устройства мини-ГЭС на небольших реках. RiverStar представляет собой капсулу с поплавком для фиксации ротора на требуемой глубине, ориентируемым глубинным стабилизатором, крыльчаткой, генератором с блоком преобразователя напряжения.

Модули RiverStar удерживаются на месте стальными тросами, натянутыми под водой поперёк течения реки, поэтому они не нуждаются в установке плотин, якорей и проведении каких-либо дополнительных работ на речном дне. Параллельно тросам на берег выходят кабели, по которым, собственно, и идёт электроэнергия. Мощность одного модуля при скорости течения реки 7,4 км/ч составляет 50 кВт. Генераторные установки RiverStar можно устанавливать блоками по несколько штук для увеличения мощности.

Мини-ГАЭС

В середине прошлого века британский изобретатель Элвин Смит предложил оригинальную конструкцию волновой малой гидроаккумулирующей электростанции. В основе установки – два поплавка, способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединён с морским дном с помощью цепи и якоря. Предусмотрена автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который постоянно меняется из-за приливов и отливов, с помощью телескопической трубы, раздвигающейся и складывающейся под действием сил Архимеда и тяжести. Между поплавками находится «насосная станция» (цилиндр с поршнем двойного действия, который качает воду при движении вниз и вверх). Она подаёт воду на сушу, в горы. В горах устраивают бассейн, в котором вода накапливается и в часы пиковых нагрузок выпускается обратно в море, по пути вращая водяную турбину.

Установка способна поднимать морскую воду на высоту до 200 м и вырабатывать мощность 0,25 МВт.

* * *

Природные условия в России весьма благоприятны для развития малой гидроэнергетики, а при современном уровне доступности информации и всевозможных материалов умельцы могут сделать мини-ГЭС даже своими руками, была бы подходящая река или ручей. Поэтому у малых ГЭС как альтернативных источников энергии, есть все шансы вновь широко распространиться в нашей стране.