Преимущества малой гидроэнергетики.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..…3

1. ПРЕИМУЩЕСТВА МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ ……………….…...4

2.БЕСПЛОТИННЫЕ КОНСТРУКЦИИ МИНИ И МИКРО-ГЭС, А ТАКЖЕ ПОГРУЖНЫЕ ГИДРО-ЭЛЕКТРО ТУРБИНЫ ИСПОЛЬЗЫЕМЫЕ НА НИХ………………………………...…………………….………….……….…5

2.1Мини-ГЭС, работающие по принципу водоворота, – гравитационная мини-ГЭС.………………...…………………..………5

2.2 Мини-ГЭС на тросах………………………………………..……….8

2.3Микро-ГЭС в потоке на понтонах.………………………..……....12

2.4 Бесплотинные ГЭС нового поколения (БГЭС)…………..….……13

2.5 Рукавные микро-ГЭС…………….………………………………...20

2.6 Погружные гидроагрегаты с поперечно-струйными турбинами.22

3.АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПОГРУЖНЫХ ГИДРО-ЭЛЕКТРО ТУРБИН…...…….26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………….……………...28

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………….………..29

ВВЕДЕНИЕ

Гидроэнергетика является ключевым элементом обеспечения системной надежности Единой Энергосистемы страны, располагая более 90% резерва регулировочной мощности.
Из всех существующих типов электростанций именно ГЭС являются наиболее маневренными и способны при необходимости существенно увеличить объемы выработки в считанные минуты, покрывая пиковые нагрузки.

Одним из наиболее эффективных направлений развития нетрадиционной энергетики является использование энергии небольших водотоков с помощью микро - и малых ГЭС. Это объясняется, с одной стороны, значительным потенциалом таких водотоков при сравнительной простоте их использования, а с другой – практическим исчерпанием гидроэнергетического потенциала крупных рек в этом регионе.
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 годах у нас работало несколько тысяч малых ГЭС. Сегодня их количество едва достигает нескольких сотен штук. Между тем, постоянный рост цен на органическое топливо приводит к значительному удорожанию электрической энергии, доля которой в себестоимости производимой продукции достигает 20 и более процентов. На этом фоне малая гидроэнергетика обретает новую жизнь.

Одним из главных оборудований для малых ГЭС являются погружные гидро-электротурбины. Преимуществом данных видов турбин является то что не надо строить плотины, которые требуют больших финансовых затрат.

 

Бесплотинные конструкции мини и микро-ГЭС, а также погружные гидро-электротурбины используемые на них.

Микро-ГЭС – надёжные, экологически чистые, компактные, быстро окупаемые источники электроэнергии для деревень, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдалённых, горных и труднодоступных районах, где нет линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дольше, и дороже, чем приобрести и установить микро-ГЭС.

Гидроагрегат микро-ГЭС (МГЭС) состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления. По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разделить на следующие категории: новые русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами; станции, использующие скоростную энергию свободного течения рек; станции, использующие существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства – от судоходных сооружений до водоочистных комплексов (уже существует опыт использования питьевых водоводов, а также промышленных и канализационных стоков) и т. п. Ниже приводятся некоторые опубликованные перспективные технические решения в этой области.

Мини-ГЭС на тросах.

Гидропривод может быть организован и без перепада уровня воды. В этом случае турбину помещают просто в водный поток. В информационных источниках рассмотрена конструкция простой тросовой (или гирляндной тросовой) мини-ГЭС с турбинно-тросовым гидроприводом, который вращается от потока течения реки. На рис. 3 упрощённо показана конструкция такой мини-ГЭС (автор Б. С. Блинов, 70-е годы прошлого века). В качестве гидроколёс (роторов), в тросовом гидроприводе мини-ГЭС можно использовать несколько «крыльчаток» (пропеллеров), изготовленных из тонкого металлического листа, диаметром около полуметра, по типу детской игрушки – пропеллера из квадратного листа бумаги. В качестве гибкого вала целесообразно использовать обычный стальной трос диаметром 10–15 мм.

Ориентировочные расчёты показывают, что от такой тросовой ГЭС, можно получить с одного гидроколеса до 1,5–2,0 кВт, при течении реки около 2,5 м/с.

Рис.2.3а.Вариант тросовой мини-ГЭС

Рис 2.3. Вариант тросовой мини-ГЭС:
1 – подшипник; 2 – опора; 3 – металлический трос; 4 – гидроколесо (турбина); 5 – электрогенератор; 6 – уровень верхнего течения реки; 7 – русло реки

Если опоры 2 с подшипниками 1 и электрогенератором 5 установить на дно реки, и подшипники с генератором поднять выше её уровня, а всё сооружение разместить по оси течения, то результат будет тот же. Такую схему целесообразно применять для очень узких речек, но с глубиной более 0,5 м. Роторы гирляндной ГЭС, как правило, располагаются в ядре потока (на 0,2 м глубины от поверхности летом и 0,5 м глубины от поверхности льда зимой). Глубина реки в месте установки гирляндной ГЭС не превышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м вполне возможно использовать роторы, расположенные в два ряда. Наиболее простым вариантом является ротор Савониуса торцевой конструкции. Для передачи крутящего момента применяются промежуточные трансмиссии.

Рис.2.4.Ротор Савониуса торцевой конструкции.

Рис. 2.4. Тросовая мини-ГЭС с якорным креплением

Другой вариант тросового гидропривода (рис. 4) содержит стальной трос 1, заякоренный на дне реки; жёстко закреплённую на нём гидротурбину 3, и механическую опору 4 для приёма вращающегося троса 1 на берегу. Механический передаточный узел содержит узел вращения 14 троса 1, совмещённый редуктор 7, 8, и вал вращения 13. Приведённый вариант установки фактически служит вихревым гидротеплогенератором, состоящим из ёмкости с водою 7 и водяного кавитатора 9, выполненного например, в виде кавитатора Кладова, представляющего собою два кавитационных диска вращающихся в противоположные стороны.

Отметим также, что такая тросовая гидросиловая установка может работать в реке даже зимой, поскольку вращающийся трос не обрастает льдом. Для получения электроэнергии таким устройством мини-ГЭС можно снять с вращающегося троса момент вращения и направить его на вращение, к примеру, группы электрических генераторов от выброшенных авто, тракторов и прочей электротехники.

Тросовые мини-ГЭС в промышленном варианте нашли применении в США. Калифорнийская компания «Bourne Energy» (по материалам «Gizmag», информация от 12.02.2008 г.) разработала серию генераторов, которые могут преобразить малую гидроэнергетику.

Аппараты «RiverStar», «TidalStar» и «OceanStar» призваны стать основой сравнительно недорогих и легко масштабируемых гидроэлектростанций, работающих на реках («RiverStar»), в проливах («TidalStar») и в открытом море («OceanStar»). Эти установки обладают рядом любопытных особенностей. «RiverStar» (рис. 5) представляет собой капсулированный модуль с поплавком для удержания ротора на заданной глубине, плавником-стабилизатором, медленно вращающейся крыльчаткой (не наносящей повреждений рыбам), генератором и преобразователем напряжения. Несколько таких капсул, по замыслу «Bourne Energy», могут быть погружены в речной поток для создания мини-ГЭС. Стоимость выпускаемых установок приведена в таблице 1.

Таблица 2.1 – стоимость установок.

Рис. 2.5. Гирлянда тросовых мини-ГЭС

Модули «RiverStar» не требуют для установки каких-либо работ на дне реки, якорей и плотин. Такая цепь держится генераторов на паре натянутых поперёк реки стальных тросов (идущих под водой). Вместе с этими тягами на берег идут кабели, по которым поступает ток. Мощность одной такой капсулы составляет 50 кВт (при скорости течения в 7,4 км/ч). 20 блоков «RiverStar» могут обеспечить электричеством 1 тыс. близлежащих домов.

Для свободнопоточных роторов гирляндных гидростанций эффективнее всего схема простого двухлопастного пропеллера. Ниже представлены мощности гидротурбин, вырабатываемые двухлопастным ротором, с омываемой площадью 1,0 м², при КПД = 0,5 и при течении воды с различной скоростью.

Таблица 2.2 - Вырабатываемая мощность
двухлопастным ротором гирляндной гидростанции в водном потоке

Скорость водного потока (V, м/c)	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	10,0
Мощность гидроэлектростанции (P, кВт)	2,45	9,80	22,05	39,20	61,25	245,00

 

Как видно из представленной таблицы, перспективы использования свободнопоточных, пропеллерных роторов, в качестве гидротурбин весьма заманчивы.

Рукавные микро-ГЭС.

В 70-е годы прошлого века, благодаря изобретению Б. С. Блинова, даже предприятия сельскохозяйственного машиностроения серийно выпускали целый ряд рукавных микро-ГЭС от 1 до 100 кВт. Наряду с микро-ГЭС гирляндного типа Б. С. Блинов предложил рукавные конструкции. Если есть в наличии ручей с дебетом воды не менее 50 л/с, то мини-ГЭС можно получить, прокладывая трубу-шланг (рукав) с перепадом высот не менее 4,0–5,0 м. В качестве генераторов могут быть использованы обычные трёхфазные асинхронные электродвигатели, с реактивным самовозбуждением от параллельно подключённых к обмоткам конденсаторов, из расчёта 7 мкф на 100 Вт мощности одной обмотки. Результат замечательный, т. к. форма напряжения и тока получалась даже лучше, чем при использовании синхронных генераторов.

Если вход в «рукав» захватывает самую быструю часть течения реки, и вода по сужающемуся каналу подводится к турбинам, то при этом скорость потока, подаваемого на лопатки турбины, возрастает и оказывается гораздо большей, чем на напорной электростанции с её высокой плотиной, ведь кинетическая энергия потока является квадратичной функцией от его скорости. Если скорость потока в 2 раза больше, то количество вырабатываемой энергии увеличивается в 4 раза больше при одном и том же расходе воды.

Рис. 2.10. Схема рукавной микро-ГЭС:
1 – ручей; 2 – уровень запруды; 3 – плотина; 4 – труборукав; 5 – гидротурбина; 6 – электрогенератор

Рис. 2.11. Рукавная мини-ГЭС промышленного производства

Рис.2.12. Рукавная микро-ГЭС

 

Для успешной и экономичной работы рукавных ГЭС достаточно иметь ручей (или иной водоток) с перепадом уровней в 1–2 м и расходом воды от 90 л в секунду. Они особенно эффективны в условиях холмистого рельефа. В комплект поставки производимых промышленностью вариантов входят энергоблок, устройство автоматического регулирования, устройство возбуждения и водозаборный агрегат. Монтаж станции весьма прост. Например, мини-ГЭС 7.5ПР мощностью 7,5 кВт можно смонтировать практически вручную: масса брутто (в упаковке) энергоблока не превышает 250 кг.

Погружные гидроагрегаты.

Погружные гидроагрегаты могут быть использованы для получения электрической энергии в случае, когда сооружение плотины для создания необходимого для работы турбины напора нецелесообразно - либо по причине затопления значительных земельных площадей и расположенных на них сооружений, либо в случае, когда водотоки служат для прохода ценных пород рыб на нерест.

Практически для установки погружных агрегатов можно использовать любые водотоки, имеющие достаточные ширину, глубину и скорость течения воды порядка 3 метров в секунду.

Рис.2.15 Схема установки погружного гидроагрегата.

Чем выше скорость течения воды, тем большую мощность можно получить при одних и тех же габаритах агрегата. Увеличение скорости течения воды, проходящей через турбину может быть достигнуто путём отделения части речного створа с помощью каменно-набросных или ряжевых стенок и создания канала, выполненного с постепенным уменьшением проходного сечения к месту установки гидроагрегата. В качестве одной из стенок может быть использован берег реки при наличии условий для установки агрегата. Кроме того конструкция погружных гидроагрегатов предусматривает наличие устройств, позволяющих увеличивать скорость течения воды непосредственно перед поступлением её на лопасти рабочего колеса турбины. При отсутствии возможности увеличения скорости течения и при наличии значительных расходов воды в реке увеличение мощности может быть достигнуто за счёт повышения пропускной способности агрегата путём увеличения его ширины. На погружные гидроагрегаты действуют значительные гидравлические и гидродинамические силы, в связи с чем требуется надёжное фиксирование и закрепление их в месте установки. Погружные гидроагрегаты могут эксплуатироваться круглогодично, в том числе на реках с неполным промерзанием русла. В этом случае агрегат должен быть установлен под нижнюю кромку льда. В случае полного промерзания русла реки, использование погружных гидроагрегатов в короткий летний период также представляется целесообразным с целью экономии органического топлива.
Погружные гидроагрегаты планируется выпускать в двух исполнениях - переносные, мощностью от 1 до 5 кВт и стационарные мощностью от 10 кВт и выше. Переносные погружные гидроагрегаты предназначены для выработки постоянного электрического тока напряжением 12 и 28 вольт в зависимости от параметров водотока и используемого типа генератора.

Рис. 2.16 Конструкция агрегата: 1- корпус; 2- колесо рабочее; 3-аппарат направляющий;4 - генератор автомобильный; 5- редуктор; 6- затвор-обтекатель повторный; 7- Диффузор съемный; 8- рама с защитной сеткой (съемная); 9- Диффузор дополнительный (из досок). 10 -Кабель силовой

 

В состав агрегата входят: турбина, синхронный генератор с выпрямительным устройством, аккумулятор и щит распределительный. Переносные погружные гидроагрегаты могут найти широкое применение там, где существует необходимость в быстром получении электроэнергии с минимальными временными, финансовыми и физическими затратами. Это могут быть геологоразведочные партии, службы МЧС, другие организации, а также частные лица. Стационарные погружные гидроагрегаты предназначены для выработки переменного тока напряжением 220 и 380 вольт, частотой 50 герц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного анализа было выявлено, что на данный момент имеется большое количество изобретений и новаторств в области малой гидроэнергетике и в частности среди погружных энергоустановок. Развитие оборудования и ее производство невозможно без развития малой гидроэнергитики в целом. Малая гидроэнергетика в своем развитии испытывает те же проблемы, что и энерготехнологии на остальных возобновляемых источниках энергии. Если бы всего несколько процентов от тех субсидий, которые направляются из федерального бюджета на поддержку тепловой или атомной энергетики, или так называемого «северного топливного завоза», направлялись государственными структурами на развитие возобновляемой энергетики, — наша страна могла бы смотреть в энергетическое будущее с большим оптимизмом.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) По материалам Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология». 2005. № 9 (29). Авторы А. Г. Солоницын, А. Т. Беккер, Дальневосточный государственный технический университет, НПО «Гидротекс».

2)По материалам Международной научно-технической конференции «Изобретатель». МГУП, www.eprussia.ru

3) Электронный ресурс. Погружные гидроагрегатыhttp://www.ecoteco.ru/id152/

4) Электронный ресурс. http://www.km.ru/referats/F361A50F182049C4BD9E466A9B660870

5) Мунц В.А. Энергосбережение в энергетике и теплотехнологиях.

6) Электронный ресурс. http://www.studmed.ru/docs/document5838/content

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..…3

1. ПРЕИМУЩЕСТВА МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ ……………….…...4

2.БЕСПЛОТИННЫЕ КОНСТРУКЦИИ МИНИ И МИКРО-ГЭС, А ТАКЖЕ ПОГРУЖНЫЕ ГИДРО-ЭЛЕКТРО ТУРБИНЫ ИСПОЛЬЗЫЕМЫЕ НА НИХ………………………………...…………………….………….……….…5

2.1Мини-ГЭС, работающие по принципу водоворота, – гравитационная мини-ГЭС.………………...…………………..………5

2.2 Мини-ГЭС на тросах………………………………………..……….8

2.3Микро-ГЭС в потоке на понтонах.………………………..……....12

2.4 Бесплотинные ГЭС нового поколения (БГЭС)…………..….……13

2.5 Рукавные микро-ГЭС…………….………………………………...20

2.6 Погружные гидроагрегаты с поперечно-струйными турбинами.22

3.АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПОГРУЖНЫХ ГИДРО-ЭЛЕКТРО ТУРБИН…...…….26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………….……………...28

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………….………..29

ВВЕДЕНИЕ

Гидроэнергетика является ключевым элементом обеспечения системной надежности Единой Энергосистемы страны, располагая более 90% резерва регулировочной мощности.
Из всех существующих типов электростанций именно ГЭС являются наиболее маневренными и способны при необходимости существенно увеличить объемы выработки в считанные минуты, покрывая пиковые нагрузки.

Одним из наиболее эффективных направлений развития нетрадиционной энергетики является использование энергии небольших водотоков с помощью микро - и малых ГЭС. Это объясняется, с одной стороны, значительным потенциалом таких водотоков при сравнительной простоте их использования, а с другой – практическим исчерпанием гидроэнергетического потенциала крупных рек в этом регионе.
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 годах у нас работало несколько тысяч малых ГЭС. Сегодня их количество едва достигает нескольких сотен штук. Между тем, постоянный рост цен на органическое топливо приводит к значительному удорожанию электрической энергии, доля которой в себестоимости производимой продукции достигает 20 и более процентов. На этом фоне малая гидроэнергетика обретает новую жизнь.

Одним из главных оборудований для малых ГЭС являются погружные гидро-электротурбины. Преимуществом данных видов турбин является то что не надо строить плотины, которые требуют больших финансовых затрат.

 

Преимущества малой гидроэнергетики.

Современная гидроэнергетика по сравнению с другими традиционными видами электроэнергетики является наиболее экономичным и экологически безопасным способом получения электроэнергии. Малая гидроэнергетика идет в этом направлении еще дальше. Небольшие электростанции позволяют сохранять природный ландшафт, окружающую среду не только на этапе эксплуатации, но и в процессе строительства. При последующей эксплуатации отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она полностью сохраняет первоначальные природные свойства. В реках сохраняется рыба, вода может использоваться для водоснабжения населения.В отличие от других экологически безопасных возобновляемых источников электроэнергии - таких, как солнце, ветер, - малая гидроэнергетика практически не зависит от погодных условий и способна обеспечить устойчивую подачу дешевой электроэнергии потребителю. Еще одно преимущество малой энергетики - экономичность. В условиях, когда природные источники энергии - нефть, уголь, газ - истощаются, постоянно дорожают, использование дешевой, доступной, возобновляемой энергии рек, особенно малых, позволяет вырабатывать дешевую электроэнергию. К тому же сооружение объектов малой гидроэнергетики низкозатратно и быстро окупается.Так, при строительстве малой ГЭС установленной мощностью около 500 кВт стоимость строительно-монтажных работ составляет порядка 14,5-15,0 млн. рублей. 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 кВтч, что в 1,5 раза ниже, чем стоимость электроэнергии, фактически реализуемой энергосистемой. Кстати, в ближайшие один-два года энергосистемы планируют ее увеличить в 2-2,2 раза.Таким образом, затраты на строительство окупятся за 3,5-5 лет. Реализация такого проекта с точки зрения экологии не нанесет ущерба окружающей среде.
Необходимо отметить, кроме этого, что реконструкция выведенной ранее из эксплуатации малой ГЭС обойдется в 1,5- 2 раза дешевле.