Микро гэс генератор проточной водой. Общие вопросы. По условиям монтажа.
В одном из сел на Алтае местные жители, однажды, в выходной день, встали как вкопанные у привычной дороге от дома до реки. Что-то невиданное доселе поразило их воображение: еще вчера река была себе «ничего особенного». Бежит водичка себе и бежит, никого не трогает. А тут… То ли ночью, то ли с первыми лучами солнца, пока в деревне спали, некие пришельцы установили колесо с лопастями поперек водного потока и теперь вот длиннющий провод тянется в сторону деревни.
Если у вашего потока или пруда достаточно головы и потока, микрогидроэлектрическая система может быть экономичным и надежным выбором для обеспечения возобновляемой электроэнергии для вашего дома. Чтобы эффективно использовать мощность в падающей воде, вам необходимо понять основную физику, как работает каждый компонент и как выбрать и установить соответствующие компоненты турбины и компонентов системы для вашего сайта.
Преимущества и недостатки различных систем самодельной мини ГЭС
Гидроэнергетика обусловлена браком двух сил - гравитацией и потоком воды - оба используются для определения того, сколько энергии и энергии может быть достигнуто. Гравитация - это то, что создает давление между входом и выходом турбины. Для каждых 31 фута вертикального падения в трубе получается 1 фунт давления на квадратный дюйм. Это вертикальное падение также называется «голова» - вертикальное расстояние между тем, где вода вынимается из потока и где она покидает вашу турбину. Горизонтальное расстояние между источником и турбиной также важно из-за расходов на трубы и потерь на трение в трубе, но это не влияет на измерение основной головки.
Когда бабушка Софья Аркадьевна предположила, что ночью прилетали «пришельцы в тарелках», умный мужик, работающий на лесопилке, сразу отсек данную экзотическую версию. Если то были пришельцы, то почему у них такое ржавое и кривоватое оборудование? Действительно, в потоки реки уходили лопасти кривые, сам корпус сооружения из металла выглядел пошарпанным, кое-где ржавым, и все это имело явное земное происхождение. «Не летают пришельцы на таких ржавых консервных банках! У них звездолеты, сделанные своими щупальцами имеются!» – логично заключил мужик.
Дополнительная функции и оснастка для эксплуатации микро – ГЭС
Другим ключевым фактором в гидроэнергетическом уравнении является проточная вода, измеренная в галлонах в минуту, кубических футах в секунду или какая-либо другая мера. Для производства электроэнергии требуется непрерывный поток падающей воды. Измерение этого потока очень важно для оценки гидроузла и проектирования системы.
После того, как вы выполните эти два измерения, вы можете сделать хотя бы приблизительную оценку мощности. Умножение валовой головки на поток и деление на определенный коэффициент даст вам потенциальную выходную мощность. Как только вы вычислили мощность, легко вычислить энергию: просто умножьте на 24 часа в сутки, чтобы добраться до ежедневных ватт-часов, так как гидротурбины работают круглосуточно. Соотношение производства энергии с потоком воды и головой линейно, что означает, что участок с 1 единиц расхода воды, умноженный на 2 единицы разности высот, даст примерно такое же производство мощности, что и участок, который испытывает 2 единицы расхода воды в течение 1 единицы разница высот, если все остальные вещи равны.
Провод от сооружения вел в дом местного изобретателя Николая Петровича. Этот человек слыл по деревне странным, но ученым, ибо всегда что-то мастерил в мини-мастерской. Что-то «варил», стучал молотками, пилил, то есть работал руками. Двое сыновей ему всегда помогали. «Опять наш Петрович чего-то надумал!» — заключил умный сотрудник лесопилки.
Например: если ваш поток имеет 120 футов головы и 45 галлонов в минуту потока, вы можете ожидать генерировать около 11 киловатт-часов в день. Гидравлическая система, как и любая возобновляемая электрическая система, представляет собой набор компонентов. Покупка только турбины ни к чему не приведет. Гидросистемы обычно содержат эти основные компоненты, перечисленные здесь с их основной целью.
Конструкция гидросистемы не проста и не рекомендуется для тех, у кого мало опыта работы с электрическими, механическими и гидравлическими системами. Поскольку хороших гидроузлов мало и далеко друг от друга, иногда бывает сложно найти опыт. Многие системы также находятся глубоко в лесу, а не на публичном дисплее, поэтому вам, возможно, потребуется провести некоторые исследования и создать сеть, чтобы найти нужных людей, чтобы помочь вам.
Выяснилось, что по первой зорьке изобретатель установил в реку поперек потока колесо с лопастями. На изготовление чудо-колеса ушло немного времени, гидропривод, старый электрический мини-генератор, пару подшипников и неказистое б\у колесо. Что же за чудо-юдо аппарат встал на пути привычного речного потока? Ответ: простейшая гидроэлектростанция, придуманная и собранная своими руками. Да еще сыновья помогли, как обычно. Но даже мини размер колеса несколько пугал жителей: что-то тут нечисто!
Гидросистемы входят в четыре основные конфигурации, с другими вариантами и перестановками. Какой тип вы выбираете, зависит от вашего сайта, целей, бюджета и потребностей в энергии. Батарейные внесетевые системы подходят для небольших систем вдали от инженерных сетей, где пиковая нагрузка превышает пиковое поколение на регулярной основе. Если ваша гидросистема производит 800 Вт, вы будете генерировать около 19 кВт-ч в день, что существенно.
Безрешетные системы без батареек подходят, когда генерирующая мощность составляет 2 кВт или более. По мере того как домашние нагрузки уменьшаются и увеличиваются, регуляторы управления нагрузкой постоянно корректируют количество энергии на нагрузку на отвод, чтобы поддерживать постоянное напряжение и частоту. Поскольку система не может хранить энергию, значительное количество энергии обычно перенаправляется на отводящую нагрузку. По этой причине стоит подумать о том, как использовать его наиболее эффективно.
Мини гидроэлектростанция. Причины роста популярности
Небольшая гидроэлектростанция не является таким уж сложнейшим сооружением. Напротив, состав необходимого оборудования, принцип работы ее незамысловаты. Чем проще механизм, тем дольше он, как правило, служит, и наоборот, сложные приборы ломаются куда чаще, а починить их своими руками непросто. В нашем случае изобретатель использует силу водного потока обычной быстрой алтайской реки, энергия воды передается на лопасти мини-турбины, затем на гидропривод и на генератор. Вот уже мы и получаем электроэнергию.
Одним из наиболее распространенных способов использования избыточной энергии является нагревание воды для бытового использования. Батарейные системы с сеткой очень похожи на их внесетевые аналоги. Первым из двух основных отличий является то, что избыточная энергия может быть продана сетке для оплаты или кредита. Другая заключается в том, что сетка может использоваться для резервного копирования, если гидросистема не обеспечивает достаточную энергию.
В системах с решеткой без батареек сетка используется в качестве «дамп-нагрузки», отправляющей избыточную энергию обратно в сетку утилиты для использования их клиентами. Эти системы по-прежнему могут требовать загрузки контроллера и дампа, которые вступают в игру только в случае сбоя в работе утилиты. Системы без батареек - это, пожалуй, самые простые и надежные системы, поскольку они не содержат батарей, но имеют доступную сетку. Их недостатком является отсутствие резервной копии для любых отключений электроэнергии.
С каждым годом заветные киловатты стоят для конечного потребителя все дороже и дороже. Вот поэтому некоторые рачительные хозяева домов стали присматриваться к альтернативным способам получения электрического тока. Кто-то ставит генераторы на дизеле, если имеет выход на дешевую солярку. Кто- то использует энергию ветра, а кто-то, кто живет на быстрой воде, догадался пустить в дело небольшую гидроэлектростанцию.
Все генераторы гидроэлектрических турбин, как и электродвигатели, работают по принципу электронов, движущихся через проволоку в результате проводов, проходящих через магнитные поля. Гидроэлектрические турбины используют движущуюся воду для поворота колеса и обеспечивают вращательное движение, необходимое для создания электромагнитного эффекта в их генераторах.
Оборудование для мгэс
Микрогидравлические турбины обычно классифицируются в диапазоне от 100 Вт до 100 кВт, хотя большинство турбин, используемых домовладельцами, составляют менее 25 кВт. Другая классификация основана на «голове», которая управляет турбиной. Низковольтные турбины - это, как правило, «реакционные» турбины, в которых лопасти турбин погружены в воду и производят электричество в качестве интегральной реакции с давлением воды. Поскольку они работают с низкой головой, эти турбины обычно требуют значительного количества воды для получения полезной энергии.
С чего начать?
Мы уже упомянули о необходимости быстрой воды рядом с домом для того, чтобы использовать небольшую гидроэлектростанцию. Своими лопастями она будет захватывать речной поток, давать людям свет. Сейчас в России не проблема купить подобную продукцию, из Китая например. Есть в ограниченной продаже и отечественные мини-образцы. Но с чего следует начать? Нужно знать скорость потока. Рек в России великое множество, но далеко не везде можно будет установить гидроэлектростанцию для своего дома.
Турбины средней мощности часто являются реакционными турбинами. Турбина Фрэнсис является распространенным типом. Турбины средней мощности часто имеют регулируемые устройства контроля потока, предназначенные для работы с переменным потоком воды в тех же условиях головы.
Другой тип реакционной турбины - это насос, который работает в обратном направлении, так как вода течет через его центробежные работы. Это может быть простым и экономически эффективным решением в правильных ситуациях. Высоковольтные турбины являются наиболее распространенными микрогидротурбинами, установленными в жилых системах и известными как импульсные или ударные турбины. Вода пропускается через сопла, преобразуя давление в скорость и отправляя струю воды, которая «ударяет» ведрами или лопастями, прикрепленными к вращающемуся колесу, заставляя его вращаться.
Существуют специальные приборчики для измерения скорости потока, но чаще всего у обычного человека, не специалиста, этой машинки нет. Не беда! На помощь придет обычная смекалка и математика со своими точными вычислениями.
Отмеряем десять метров по течению реки вверх. Ставим метки. Дальше нам потребуется секундомер (есть сейчас почти в каждом телефоне), помощник (подойдёт даже «сопливый» пацан\девчонка), да кусочек деревяшки. Просим помощника взять в руки кусочек деревяшки (отломать заранее от доски щепку) и пройти вверх по реке до отметки. Сами становитесь где-то посередине, говорите помощнику опустить деревяшку в воду ровно на уровне верхней метки в 10 метров. По вашей команде «Отпускай!» помощник выпускает щепку, а вы тут же включаете секундомер.
Большие микрогидротурбины могут производить электричество 60 Гц непосредственно через регулирование с помощью электронного регулятора нагрузки, который поддерживает постоянную нагрузку на генератор через нагрузки сбрасывания, когда электричество не требуется.
Модель зависит от каждого производителя. Каждому изготовителю следует связаться, чтобы убедиться, что турбина будет соответствовать конкретному участку. Тип генератора, связанный с микрогидроэнергией, обычно является либо постоянным магнитом, раневым полем, либо индукцией. В большинстве небольших турбин используются генераторы постоянных магнитов, некоторые из которых имеют регулируемые промежутки между магнитами и обмотками для настройки выхода. Отдельные синхронные генераторы имеют раневое поле, которое производит собственное магнитное возбуждение, а индукционные генераторы получают свое магнитное возбуждение от статора либо через конденсаторы, либо через сетку.
Деревяшка плывет по течению реки вниз, вы ее сопровождаете. Руками крепко держите секундомер и когда деревяшка достигает нижней отметки пути в 10 метров, нажимаете «отбой» отсчета. Щепка плывет себе дальше, она своим примером оказала нам содействие в научном эксперименте, а у вас теперь есть нужные данные для математических расчетов: 10 метров делим на то количество секунд, которое показал секундомер. В итоге и получаем искомую СКОРОСТЬ потока.
Применение мини ГЭС
Максимальная мощность определяется ваттами, производимыми турбиной при максимальном потоке воды и чистой головке. Этот номер используется для расчета размеров контроллеров заряда и дампов, необходимых для защиты турбин и батарей, добавляя коэффициент безопасности.
Напряжение используемого типа генератора. Высоковольтная генерация может быть полезна для преодоления потерь в линии. Сетевое соединение возможно с некоторыми марками и моделями. Более крупные системы подключаются через распределительные устройства и индуктивные генераторы или синхронные генераторы и регуляторы.
Тут уж как повезет. Но если скорость потока менее 1 метра\сек., то игра не стоит свеч. Конечно, есть пути, как увеличить скорость и использовать энергию падающей воды, но для этого придется создавать своими руками мини-плотину, перекрывать поток, а это уже большие затраты и, мягко скажем, недовольство соседей, да и живности в самой реке. Надо помнить, что вода – среда агрессивная, и подвергает коррозии и разрушению любой металл. Так что чем больше оборудования используется, тем дороже выйдет гидроэлектростанция. А значит, придется чаще ремонт делать собственными руками или звать специалистов со стороны, да и сама энергия выйдет дорогой.
Мини ГЭС. Микрогидроэлектростанции
Тип бегунка определяет колесо турбины, используемое для преобразования мощности воды в вращательную мощность, и определяется доступной головкой и потоком. Благодаря тестированию производители определили наилучшие типы бегунов для различных условий работы головки и потока. Обычными типами являются колесо Пелтона, турго, поперечный поток и пропеллер. Ваш поставщик турбины и подрядчик могут дать хороший совет по выбору.
Материал для бегунов. Бегуны для микрогидроприложений обычно изготавливаются из сплава, так как эти материалы противостоят коррозии и легко отливаются и обрабатываются в форме. Нержавеющая сталь наиболее распространена в больших системах. Нержавеющая сталь и различные бронзовые сплавы являются обычными, долговечными материалами. Пластмассы используются для небольших, менее дорогих бегунов.
Варианты миниГЭС
Как же тогда быть? Как использовать течение реки без масштабных вложений? Тогда нам нужен обычный проточный аппарат. В настоящее время разработано четыре типа компактных гидроэлектростанций, не требующих перекрывания рек.
Пропеллер
У Карлосона мини-пропеллер был на спине, и он прекрасно справлялся со своими обязанностями. Поправит толстячок своими небольшими руками свой костюмчик, и летит на крышу. Пропеллер – как разновидность гидроэлектростанции — тоже хорошо работает и представляет собой вертикальный ротор, с лопастями в два сантиметра примерно. Если увеличить ширину лопастей, то сопротивление возрастет, и нужная скорость вращения не будет достигнута.
Выбор диаметра бегунка связан со скоростью воды, воздействующей на бегун, которая напрямую связана с доступной головкой. В идеальных условиях скорость бегуна составляет примерно половину скорости струи воды. Для практичности бегуны для небольших турбин обычно ограничены лишь несколькими.
Количество сопел - это выбор, зависящий от диапазона расхода воды, доступного для турбины. Сопла открываются или закрываются для поддержания максимального давления в турбине, используя при этом доступный поток. Наличие нескольких сопел особенно важно, когда поток потока сильно меняется в течение года, поэтому у вас есть возможность использовать больше или меньше воды.
Ротор помещают под воду. Пропеллер рассчитан на скорость воды в реке до 2 метра/секунду. Гидроэлектростанция на основе пропеллера – одна из доступнейших разновидностей альтернативной гидроэнергетики в условиях личного домохозяйства. Однако, нужно помнить, что своими пусть и небольшими «руками – лопастями» пропеллер может нанести вред животному миру реки.
Дардье — ротор
Этот ротор также помещается под воду, но на сей раз используется сила разности давлений на различных его лопастях. Рельеф ротора Дардье сложен, вода его обтекает по-особому, за счет этого и происходит его вращение. Жорж Дардье — французский изобретатель, он и изобрел этот аппарат. Изготовить ротор Дардье сложнее, чем пропеллер, но зато он выдает довольно высокую мощность.
Гирлянда
Небольшая гидроэлектростанция с гирляндой – это не новогодняя шутка, хотя скоро Новый Год. Гирлянда в нашем случае — длинный трос, с нанизанными на него роторами. Вся конструкция опускается в поток воды полностью, и роторы начинают крутиться. При этом они же вращают сам трос, который с одного конца закреплен в подшипнике, а с другого подсоединен к генератору. Вот вам и электричество.
Но есть и минус: гирлянда перекрывает всю реку, с одного ее берега до другого, а значит, может покалечить ребенка, к примеру, если тот полезет руками в воду в поисках красивого камешка. Гирляндная гидроэлектростанция весьма опасна! Место ее размещения желательно как то обозначить, огородить.
Здесь мы говорим о мини — варианте электростанции, использующей энергию проточной воды. Именно такое колесо и установил Николай Петрович из Алтая в начале нашего повествования. Колесо не утопают под воду полностью, оно возвышается над ней, а лопасти погружены частично, до половины. Сооружение ставится поперёк течения и за счет энергии потока колесо вращается, оно соединено с мини – генератором и… Вот вам и электричество! Сделать такое водное колесо своими руками не столь сложно.
В целом у данного типа гидроэлектростанций небольшого размера для бытовых нужд имеется хорошее будущее. Небольшие габариты и относительная легкость развертывания позволят использовать их почти везде, где есть река и достаточный по силе водный поток. Эти аппараты способны давать чуть ли не бесплатное электричество для конечного потребителя. Однако, пока массового производства таких гидроэлектростанций в РФ не налажено, хотя интерес к ним все возрастает и возрастает.
М. Берсенев
Сорокалетний житель одного из районов северного Таджикистана изобрел Мини-ГЭС. Теперь 20 дворов получают электричество бесплатно:
1.1. Состояние и развитие малой гидроэнергетикиГидроагрегаты для малых ГЭС предназначены для эксплуатации в широком диапазоне напоров и расходов с высокими энергетическими характеристиками. В комплект поставки входят: турбина, генератор и система автоматического управления.
Микро-ГЭС - надежные, экологически чистые, компактные, быстроокупаемые источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных поселков, фермерских хозяйств; а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных, горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дольше, и дороже, чем приобрести и установить микро-ГЭС.
В комплект поставки входят: энергоблок, водозаборное устройство и устройство автоматического регулирования (см. рис. 1) . Малые ГЭС (микро-ГЭС) получили развитие во многих странах мира в ХХ веке. Они характеризовались большой часовой наработкой, значительными конструктивными запасами и высокой надежностью, но требовали постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Развитие энергосистем и строительство крупных ГЭС привели к снижению стоимости электроэнергии и неконкурентноспособности малых ГЭС из-за больших эксплуатационных расходов. Но разразившийся в 1973 г мировой энергетический кризис способствовал тому, что интерес к использованию имеющихся энергоресурсов и строительству малых ГЭС во многих странах значительно повысился. При новых подходах к созданию микро-ГЭС после 1973 г широкие возможности для их возведения имеются при существующих гидротехнических сооружениях, эксплуатируемых ГЭС, ТЭС, АЭС; на гидроузлах, построенных для орошения и водоснабжения; при строящихся гидроузлах различного назначения; на высокогорных стоках, вблизи селений и сельскохозяйственных построек; в составе систем технического водоснабжения на промышленных предприятиях.
Большее число микро-ГЭС может быть построено на эксплуатируемых и намеченных у сооружению водоснабжающих и ирригационных гидроузлах и их сооружениях (быстротоки, гасители энергии, пороги, отклонители); на водосборных каналах и системах каптажа крупных гидроузлов.
В системах водоснабжения на участках трассы с большой разницей отметок поверхности вместо различного рода шахтных сопряжений, энергогасителей и других сооружений могут быть построены микро-ГЭС. При расходах воды в пределах от 5 до 100 л/с их мощность может достигать от 20 до 200 кВт.
В России более чем на 80 крупных водохранилищах не сооружены ГЭС. По предварительным оценкам 58% средних и 90% небольших водохранилищ (а это 20 и 1 млн. м3 соответственно) не используются для выработки электроэнергии. Очевидно, что первоочередными объектами рассмотрения должны быть существующие и незадействованные гидроузлы.
В настоящее время разработана методика определения эффективности и программы освоения энергетического потенциала малых водостоков. Микро-ГЭС в основном предназначены для покрытия местных нужд и изолированно работы от энергосистем. При строительстве целесообразно применять стандартизированные и укрупненные сооружения (блоки).
Малые ГЭС в настоящее время могут быть рентабельными при упрощении схемы их управления (например, за счет балластной нагрузки) и работы без обслуживающего персонала. Эффективность микро ГЭС может быть повышена за счет многоцелевого использования ее сооружений, а также при выдаче мощности в местную сеть (без длинных ВЛ). При работе микро-ГЭС на изолированную нагрузку возникает необходимость регулирования частоты и напряжения. Если водохранилище имеет достаточную емкость, можно обеспечивать суточное и недельное регулирование, в противном случае рекомендуется регулирование с помощью балластной нагрузки.
1.2. Классификация микро-ГЭСВ данном разделе рассмотрена классификация существующих на сегодняшний день установок малых ГЭС.
В области малой и нетрадиционной энергетики разрабатываются гидроагрегаты:
1. с ортогональными турбинами для напоров 1-5 м;
2. с пропеллерными турбинами для напоров 5-20 м;
3. с турбинами типа "Банки" для напоров 20-150 м.
Диапазон единичных мощностей разрабатываемых гидроагрегатов находится в пределах от 1 до 1000 кВт при изменении максимального расхода от 0,1 до 100 м3/с. Установки предназначены для выработки электроэнергии в сеть. Они также могут быть укомплектованы электротехническим оборудованием для работы на автономную нагрузку.
В НИИЭС разрабатываются способы и оборудования для электролизной защиты, которая используется для предотвращения полного биологического обрастания на бетонных поверхностях и на оборудовании турбинных водоводов на весь срок эксплуатации.
Итак, установки подразделяются:
1. По принципу работы . Применительно к различным природным условиям можно выделить два типа микро-ГЭС, реализующих:
1.1. потенциальную энергию водостока;
1.2. кинетическую энергию водостока.
примерами первого типа являются микро-ГЭС с традиционным оборудованием, русловые или деривационные, а также, разрабатываемые в последние годы так называемые рукавные ГЭС (разновидность деривационных).Микро-ГЭС второго типа устанавливаются непосредственно в водостоке. Примерами их являются разработанные и применяющиеся в России гирляндные ГЭС конструкции Б.С. Блинова и др., триллексная вертикальная Ю.М. Новикова, штанговая плоскопараллельная и плоскоподъемная М.И. Логинова, Ю.М. Новикова, роторного типа и капсульные гидроагрегаты, применяемые за рубежом.
Технические решения, применяемые при создании микро-ГЭС, разнообразны. Это и традиционные: применение практически всех гидротурбин (радиально-осевых, пропеллерных, ковшовых); а также много нетрадиционных предложений, например, гирляндные ГЭС
2. По напору воды :
2.1. низконапорные (осевые горизонтальные и вертикальные прямоточные установки, капсульные турбины);
2.2. средненапорные (радиально-осевые с горизонтальным или вертикальным валом, установки с неподвижным направляющим валом);
2.3. высоконапорные (ковшовые турбины).
Диапазон напора воды колеблется от 3 до 80 м.
3. По конструктивному исполнению турбины (по требованиям регулирования) ;
3.1. с неподвижными лопатками направляющего аппарата и лопастями рабочего колеса;
3.2. с неподвижными лопастями рабочего колеса и регулируемым направляющим аппаратом;
3.3. с регулируемыми лопастями рабочего колеса и неподвижным направляющим аппаратом;
3.4. с регулируемым направляющим аппаратом и поворотными лопастями рабочего колеса.
4. По скорости течения воды (по расходу воды) :
4.1. на малых водостоках (расход до 5 куб. м., длина до 10 км);
4.2. на средних водостоках (расход до 50 куб. м., длина до 100 км);
4.3. на больших водостоках (расход более 50 куб. м., длина более 100 км).
5. По мощности . По существующей классификации ООН к малым относятся ГЭС мощностью до 10-15 МВт, в том числе:
5.1. микро-ГЭС - мощностью до 0,1 МВт;
5.2. мини-ГЭС - от 0,1 до 1 МВт;
5.3. малые ГЭС - от 1 до 10 МВт.
6. По номинальному напряжению :
6.1. низкого напряжения (до 1 кВ - 230 В, 400 В);
6.2. высокого напряжения (более 1 кВ - 6 кВ, 10 кВ).
7. По частоте вращения турбины . Ряд значений частоты вращения турбины колеблется от 200 до 1500 об/мин.
Малые ГЭС в отличие от дизельных электростанций все-таки требуют индивидуального проектирования.
Одним из типов микро-ГЭС являются гирляндные свободно-проточные, использующие кинетическую энергию водостока, работающие без специальных устройств для направления водного потока и без каких-либо гидротехнических сооружений. Гирляндные ГЭС создавались для работы на больших и малых водостоках каналов. Условиями для их использования являются возможность свободного обтекания гидротурбины водным потоком. Их мощность - от 0,5 до 5 кВт в зависимости от скорости воды в реке (1,2-3,0 м/с). Экологические воздействия данных ГЭС минимальные, эксплуатационные неудобства состоят в решении вопросов пропуска малых судов, катеров и лодок, сплавляемой древесины.
Применяются также схемы многогирляндных микро-ГЭС с параллельным и лучевым расположением гирлянд. На узких водостоках отбор мощности поперечными гирляндами затруднен, поэтому, когда появляется необходимость установки большого числа гирлянд, предполагается установка торцовых гидротурбин. В отличие от поперечной гидротурбины, в которой активная плоскость, воспринимающая силу движущегося водного потока, располагается параллельно оси троса, торцовая гидротурбина ориентированна этой плоскостью перпендикулярно оси троса Эффективность использования мощности потока торцовыми гидротурбинами значительно ниже, чем поперечными.
Другим примером микро-ГЭС является рукавная переносная (РПГЭС) мощностью 1,5-3,0 кВт, разработанная целевым образом для потребителей электроэнергии с передвижным характером работы. Она состоит из водозаборника, напорного трубопровода и энергоблока и может применяться на участках перепада местности 6-7 м с расходом 50 л/с.
Применение РПГЭС ограничивается водотоками горного типа с достаточно большим уклоном. В отдельных случаях при наличии водоподпорной башни неэнергетического назначения РПГЭС может использовать напор на плотине.
Примером такой установки является подвесной агрегат (США), состоящий из капсулы с гидроагрегатом, рабочего колеса и защитного кожуха. Вся конструкция вертикальной штангой прикрепляется к рамной шарнирной конструкции, фиксируемой, например, на опоре моста. Эта микро-ГЭС использует скоростной напор речного потока, исключает необходимость возведения водоподпорной плотины и практически не оказывает воздействия на природную среду. Может быть использован реверсивный вариант данной ГЭС в устьях рек с приливными течениями.
Также, известны поперечные и торцовые гирляндные ГЭС конструкции Б.С. Блинова, Е.С. Бирюкова. Поперечная конструкция применяется на реках с широким руслом, торцовая - на реках малой ширины. Поперечная гирляндная ГЭС состоит из нескольких гидротурбин, жестко закрепленных на стальном тросе (выполняющего роль гибкого вала), редуктора и гидрогенератора. Трос с гидротурбинами располагается попрек 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 крутящегося момента от гидротурбин к торсу, а от него к редуктору, расположенному на берегу. В прошлом применялись турбины диаметром 20-50 см.
Многие зарубежные фирмы, например, австралийские "Элин" и "Касслер", шведская "Скандия" и др., выпускают компактные микро-ГЭС. Эти установки полностью изготовленные, смонтированные и испытанные на заводе. Стандартные гидроагрегаты состоят из гидротурбины, трансформатора, распределительных устройств, аппаратуры регулирования и управления.
Большое число микро-ГЭС производится в КНР, где из работающих 90 тыс. установок, имеющие мощность менее 25 кВт - 60 тыс. шт. Оборудование для них стандартизировано и применяется, начиная с мощности 12 кВт.
Рассмотренные варианты микро-ГЭС являются малоконцентрированными источниками энергии, не вносящие в природную среду серьезных изменений, поэтому практически они могут считаться экологически безопасными установками.
Для качественного анализа необходимо правильно оценить гидроресурсы микро-ГЭС.
1.3. Оценка гидроресурсов для микро-ГЭСВ данном разделе приводятся основные принципы использовании энергии воды, характер изменения напора и расхода воды.
Пусть Q есть объем воды, падающей на лопасть в единицу времени, p - плотность воды, тогда масса падающей воды равна Qp, а теряемая ею энергия равна
P 0 =pQgH, (1.1)
где g - ускорения силы тяжести;
P 0 - изменение в единицу времени потенциальной энергии воды (мощность);
H - высота падения жидкости.Целью гидротехнической установки является преобразование этой энергии в электрическую или механическую. В отличие от других энергетических установок никакие принципиальные ограничения (термодинамические или динамические) не мешают энергии падающей воды полностью превратиться в механическую энергию, исключая потери на удаление воды из турбины.
Возможности гидроэнергетики видны непосредственно из (1.1) . При заданном местоположении гидростанции Н есть постоянная величина и расход воды при заполненных водоводах практически постоянен. Так как реальная мощность турбины близка к теоретической, уравнение (1.1) определяет максимальную мощность требуемого энергетического оборудования.
Местоположение микро-ГЭС должно обеспечивать достаточно высокий Q расход и напор H. Обычно для этого требуется годовой уровень осадков не менее 40 см, выпадающих достаточно равномерно в течении года, определенные рельеф местности и территория для водохранилища. Если эти условия выполняются, гидроэнергия почти наверняка будет наиболее подходящим источником электроэнергии.
Однако для того чтобы направить воду в турбины, необходимо выполнить большой объем строительных работ (сооружение плотины, водоводов и т.д.). Стоимость этих работ часто превышает стоимость гидроэнергетического оборудования электростанции.
Измерение напора Н . В потоках с большим уклоном для измерения напора Н подходит метод триангуляции, для более равнинных мест используют нивелир и рейки (геодезические).
Следует заметить, что мощность натекающего на турбину потока определяется не геометрическим (или полным) напором Ht, измеренным описанным выше способом, а располагаемым или рабочим напором Hа, равным
Hа = Ht - Hf, (1.2)
где Hа - рабочий напор, м;
Hf - потери напора на трение в каналах и водоводах на пути к турбине;
Ht - геометрический (полный) напор, м.Измерение расхода воды Q . Поток воды, поступающий на турбины, как правило, меньше расхода реки, который в свою очередь различен в период засухи и паводка. Для энергетики важен минимальный расход реки (в сухой сезон), с тем чтобы рассчитанные по нему турбины работали круглый год в нормальном режиме. Необходимо также знать и максимальный расход (в период паводка), для того чтобы избежать повреждений гидростанции.
Методы измерения расхода воды Q гораздо сложнее методов измерения напора Н и зависят от величины и скорости рассматриваемого потока:
расход Q=(объем воды, прошедший за время dt)/dt=(средняя скорость u)х(поперечное сечение А)= S un x dA, (1.3)
где n - единичная нормаль элементарной площадки dA, S - знак интеграла.Методы измерения расхода, в основе которых лежат данные уравнения, назовем соответственно основным, модифицированным и расчетным. Известно также, что если поперек потока расположить порог или водослив, то уровень воды в этом месте будет зависеть от ее расхода. На этом основан еще один метод определения расхода.
Основной метод (рис. 2, а) Весь поток покрывается дамбой или направляется в какой-либо резервуар. В обоих случаях можно определить расход, зная наполненный объем и время его наполнения. Этот метод точен, не требует никакой информации о параметрах потока и наиболее пригоден для малых потоков, особенно для небольших водопадов.
Модифицированный метод 1 (рис.2, б) В уравнение (1.3) входит средняя скорость потока u. Так как на дне реки скорость течения из-за трения равна нулю, значение u будет несколько меньше скорости течения на поверхности u s . Например, для прямоугольного поперечного сечения русла реки u=0,8u s , а скорость us нетрудно определить по перемещению находящегося на поверхности воды предмета. Для получения наиболее точного результата скорость us определять следует на прямолинейном участке русла и постоянном его сечении. Площадь поперечного сечения А модно вычислить, померив глубину потока в нескольких точках сечения и просуммировав площади составляющих его треугольников и трапеций (рис.2, б) а именно:
(1.4)Модифицированный метод 2 . (рис.2, в). Этот метод определения скорости течения не требует измерений времени и пригоден для быстрых потоков. Метод состоит в том, что плавучий предмет (например, теннисный мяч) погружают на определенную глубину и затем отпускают. Время его всплытия на поверхность с заданной глубины не зависит от скорости горизонтального перемещения и может быть определено в лабораторных условиях. Измеряя горизонтальное перемещение предмета к моменту всплытия, и, зная время всплытия, определим скорость течения. Нетрудно заметить, что этим способом мы определяем среднюю скорость (среднюю по глубине, а не по сечению, но это различие невелико).
Расчетный метод (рис.2, г). Этот метод наиболее точный и используется профессиональными гидрологами на больших реках. В нем поперечное сечение потока разбивается на большое число ячеек площадью dA, и в каждой измеряют скорость ui. Интеграл (1.3), определяющий расход, заменяется суммой величин uidA во всех ячейках.
Водосливной метод (рис.2, д). Если необходимы систематические замеры расхода потока в течение, например, года, можно построить дамбу с вырезом определенной формы. Такая дамба называется тонким водосливом. Высота потока воды в плоскости выреза пропорциональна расходу. Для определения величины расхода в лабораторных условиях проводится тарировка модели такого водослива, и результаты тарировочных измерений помещают в справочное пособие.
1.4. Водные кадастрыПриродные энергетические кадастры (ПЭК) составляются на основе данных гидрометеостанций конкретных регионов. ПЭК представляют собой совокупность достоверных и необходимых сведений, характеризующих ветер (солнце, воду) и позволяющий выявить его энергетическую ценность. Важнейшими кадастровыми характеристиками являются:
Повторяемость энергетических потоков по градациям;
Чередование рабочих и нерабочих периодов;
Режимы максимального энергетического потока.
Наиболее важной характеристикой является функция статической закономерности частот вариации конкретных энергетических потоков за определенный период времени.
Проблема энергетического использования малых и средних рек и создания соответствующих классификаций в нашей стране имеет давнюю историю. Вопрос о деление рек на большие, средние и малые окончательно не решен. При отнесении водостока к той или иной категории можно исходить из различных его признаков: длины реки, величины водосбора, объем стока - или же делить реки по возможным масштабам их использования в той или иной отрасли хозяйства, например гидростанции, глубина русла для судоходного пути, возможная площадь орошения сельскохозяйственных угодий и т.д.
По природным признакам к категориям малых и средних рек относят такие реки, водосборная площадь которых на всем протяжении обладает постоянством климатических, однообразием почвенных и геологических условий, растительного покрова и рельефа местности. К категории больших тогда буту относиться все реки, не обладающие указанными свойствами, т.е. такие, условия водосбора которых на всем протяжении меняются.
В связи с этим целесообразно при делении рек учитывать не только природные условия, но и размер хозяйственного использования. Такое деление по Н. Н. Фаворину в сокращенном виде приведено в табл. 1 .
Таблица 1. Классификация рек по комплексу природных и хозяйственных показателейБассейны малых рек могут распространяться на территорию от 1 до 10 административных районов, средних - от 10 до 45 районов. Следовательно, по своим размерам малые реки могут удовлетворять хозяйственным потребностям районного и межрайонного масштабов, средние - областного. По этому признаку могут быть определены также размеры и класс гидротехнических сооружений на реках. Из табл. 2, анализируемой совместно с табл. 1, следует, что микро-ГЭС мощностью 30 кВт с напором 4 м без водохранилища для работы на полную мощность (в среднем до 2500 ч в год) должна иметь сборную площадь не менее 350-450 км 2 .
Таблица 2. Потребность в воде малых ГЭС при разных напорах и мощностях, млн м 3Для мини-ГЭС мощностью 150 кВт при прочих равных условиях площадь питания должна быть не менее 1800-2300 км 2 . При устройстве водохранилища с годичным регулированием стока либо водосборные площади могут быть уменьшены примерно в 3 раза, либо мощность ГЭС увеличена в 3 раза.
Чтобы создать водоемы, достаточные для суточного регулирования, подпоры для ГЭС должны быть около 6-8 м. Более высокие подпоры на малых реках приводят к затоплению поймы, потере ценных сенокосов. Если требуется водохранилище большого объема для годичного (многолетнего) регулирования стока, выгоднее для ряда отраслей, затраты на сооружение должны быть разнесены между участниками. Однако нужно иметь в виду, что стоимость возмещения ущерба тот затопления может достигать 20-45% и более капиталовложений гидроузла.
В целом следует отметить, что малые и средние реки в энергетическом отношении изучены недостаточно. Вместе с тем при исчерпании ресурсов крупных водостоков неизбежно встает вопрос о более широком строительстве группы ГЭС или их каскадов на этих реках, причем необходима оптимизация всего каскада.
Горные районы богаты водноэнергетическими ресурсами, которые распределяются между средними и малыми водостоками, причем на последние приходится значительная их часть (в Горном Алтае около 90%). В долинах горных рек отсутствуют четко выраженные чащи водохранилищ и соответствующие каньоны, являющиеся наглядными ориентирами при разбивки реки на ступени их использования.
1.4.1. Основные кадастровые характеристики рек Алтайского края и республики Алтай
Алтайский край, особенно республика Алтай, обладают достаточными водными ресурсами для удовлетворения потребностей в воде населения, промышленного и сельскохозяйственного производства. Неравномерное распределение этого вида ресурсов может быть скорректировано техническими и практическими приемами. В последнее время со всей остротой встают вопросы о более рациональном использовании водных ресурсов Алтая и о разработке комплекса мер по охране их от загрязнения и истощения.
В данном подразделе рассматриваются водные ресурсы Алтая, их качественное и количественное определение, синтез данных речных кадастров. Знание распределения водных ресурсов необходимо для решения основных вопросов малой гидроэнергетики в области внедрения гидротехнических установок микро-ГЭС.
Ниже приведен анализ и классификация рек Алтая по различным критериям (длина в км, извилистость, густота речной сети, уклон и т.д.).
В основу количественной оценки элементов водного баланса положены нормы годовых величин атмосферных осадков (Р), общий речной сток (У), испарение (Е), а также поверхностные (Упв) и подземные притоки рек (Уп).
Количественная оценка структуры водного баланса дается с помощью коэффициента стока (a=У/Р), коэффициентов поверхностного (a=Упв/Р) и подземного (a=Уп/Р) притока в реки.
Основные показатели речных кадастров.
Для качественных и количественных характеристик рек используются следующие показатели:
1. Длина реки в километрах
длинные - более 500 км (Алей),
средние - 100-500 км (Уксунай),
короткие - менее 100 км (Таловка);
2. Извилистость. Извилистость рек характеризуется коэффициентом извилистости - отношение длины реки, измеренной по карте, к сумме отрезков прямых, соединяющих начало и конец однообразно ориентированных участок реки.
очень извилистые - более 1,8 (Алей);
извилистые - 1,6-1,8 (Уксунай);
слабо извилистые - 1,2-1,6 (Кокса);
очень слабо извилистые - менее 1,2 (Таловка).
3. Уклон реки в промилле (‰) - отношение падения реки на отмеченном участке к его длине.
4. Густота речной сети (для бассейнов рек) характеризуется коэффициентом густоты речной сети (в км/км 2):
Таблица. 3. Густота речной сети5. Количество рек в основных речных системах Алтая . Основные реки (крупные, или главные) образуются притоками 1, 2, 3 порядка и т.д. (малыми реками). Так, река Обь имеет притоки 1 порядка (Бия, Катунь, Чарыш, Чумыш, Алей и т.д.), притоки 2 порядка, образующие реки 1 порядка и т.д.
Количество рек в речных системах имеет обратно пропорциональную зависимость от длины главной реки. Так, для р. Бии при длине 100-500 км количество рек колеблется от 1 до 4, при длине 0-50 км - 49-6537 рек соответственно.
6. Продольные профили рек . Данная зависимость (в м/км) обратно пропорциональна. Например, для р. Оби профиль рек составляет 0-200 м при длине 0-400 км; для р. Бии профиль рек составляет 0-400 м при длине 0-400 км, для р. Катуни - 0-2400 м и 0-600 км соответственно.
1.4.2. Водные и водноэнергетические ресурсы республики Алтай
Республика Алтай (Горный Алтай) имеет площадь 92,6 тыс. кв. км. Ее большая часть (58,5%) представлена водосбором реки Катунь (табл. 4).
Таблица 4. Площади административных районов р. Алтай, тяготеющие к крупным рекам, км 2Результаты элементов водного баланса и их структуры для шести природных районов Горного Алтая приведены в табл. 5, а для речных водосборов, расположенных в пределах этих районов, - в табл.6.
Таблица 5. Среднегодовой баланс природных районов республики Алтай и его структураАнализ зависимостей осадков, стока, испарения и коэффициентов стока речных водосборов (табл. 6) от средней высоты водосбора показывает, что для каждого из рассмотренных районов они различны.
Таблица 6. Среднегодовой водный баланс речных водосборов, расположенных в различных районах республики Алтай, ммИз 53,5 куб. км. воды, формирующейся в средний по водности год на Алтае, 33,4 км 3 или 62,5% приходится на Горный Алтай, из них 18,0 км 3 дает р. Катунь (см. табл. 7).
Таблица 7. Водные ресурсы некоторых рек республики АлтайДля расчетов ресурсов использованы зависимости модуля годового стока от средней высоты водосбора (табл. 8) Модули стока в истоках Катуни достигают 40 л/сЧ км 2 . Наиболее водным в бассейне р. Катуни является Усть-Коксинский район, где объем годового стока превышает 7 км 3 .
Таблица 8. Модули стока в бассейнах рек республики Алтай, л/с x км 2Многолетний средний расход р. Катуни после впадения р. Аргут составляет 419 м 3 /с; р. Бухтармы - 243 м 3 /с; р. Аргут -126 м 3 /с.
Наибольшее количество рек и водноэнергетических ресурсов сосредоточены в бассейне р. Бухтармы. В этом бассейне 124 реки обладают суммарной энергией 18,9 млрд. кВт ч в год, 39% этого количества приходится на основное русло самой р. Бухтармы. Следующим по запасам ресурсов является бассейн р. Аргут, в котором учтено 72 реки с суммарной энергией 14,1 млрд. кВтЧч в год. В бассейне Верхней Катуни количество рек 59, суммарные водноэнергетические ресурсы их составляют 11,5 млрд. кВт ч в год. Качественная характеристика водноэнергетических ресурсов некоторых рек приводится в табл. 9.
Таблица 9. Распределение потенциальных водноэнергетических ресурсов по качественным группам (млн. кВт ч на 1 км)Наиболее высокими показателями характеризуются водноэнергетические ресурсы бассейна р. Аргут. Здесь 57% всех водных ресурсов бассейна относятся к первой группе с удельной энергий более 25 млн. кВтЧч на 1 км. В бассейне Верхней Катуни ресурсы первой группы составляют около 49%, в бассейне Бухтармы - только 20%. В бассейне Бухтармы наибольшее количество ресурсов (9,2 млрд. кВт ч в год) характеризуется второй группой (от25 до 10 млн. кВтЧч на 1 км), что составляет около 50% всех водноэнергетических ресурсов данного бассейна.
Назад Оглавление
