CC BY
101
УДК 620.9
В. Д. Авилов, Л. Е. Серкова
МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТРАТЕГИЯ СИБИРСКОГО РЕГИОНА
1. Современная энергетика
Человечеству в последнее время постоянно не хватает энергии. Но в то же время оно в буквальном смысле купается в ней. Так, например, для удовлетворения своих энергетических потребностей человечеству достаточно утилизировать всего 5-процентный КПД солнечной энергии, падающей на 0,13 % поверхности земного шара. И, тем не менее, энергии не хватает.
Некоторые оптимистически настроенные эксперты все чаще связывают будущее развития энергетической отрасли в России с малой и альтернативной энергетикой. Необходимость перехода на автономные источники питания обусловлена, в первую очередь, стремительным развитием отечественной экономики, что целиком закономерно приводит к увеличению потребления электрической и тепловой энергии. Некоторые эксперты считают, что, если в ближайшее время не будут предприняты более решительные меры по реструктуризации Единой энергетической системы России, которая до сих пор имеет в своей основе огромные ТЭЦ — наследие советского периода и оборудование, требующее замены, то в ближайшие годы возможен глобальный кризис энергетики России. Кроме того, есть надобность в пересмотре программ энергетического обеспечения целого ряда регионов, в первую очередность — Крайнего севера, которые явно устарели.
Чем грозит российской экономике дефицит электрической и тепловой энергии? В первую очередь, пострадают предприятия. Существующие мощности уже в эти дни не справляются с постоянно растущими потребностями отдельных предприятий. Возрастут тарифы на электроэнергию, что ударит по карману не только хозяев предприятий, но и рядовых потребителей. Кризис усугубит повышенная аварийность — значительная доля оборудования устарела и требует замены. Специалисты говорят о «лавинообразном» характере износа.
В данном состоянии выделяемых ныне средств из бюджета недостаточно. Согласно отчету, опубликованному Минпромэнерго, к 2010 г. выработают свой ресурс около 50 % ТЭС и ГЭС, к 2020 г. данная цифра вырастет до 150 млн кВт (70 %). Специалисты подсчитали, что в условиях постоянного экономического роста и наращивания производственных мощностей, необходимо увеличивать имеющиеся мощности энергетики самое малое на 3 % в год. Существующие цифры роста не соответствуют необходимым темпам. РАО ЕЭС вводит в год около 2 тыс. МВт, что составляет менее 1 %. Даже данная цифра была достигнута с помощью колоссальных затрат — 2,6 млрд дол.
Если говорить о реальных деньгах, которые нужно вложить в энергетическую систему России, чтобы она соответствовала международным стандартам и снабжала бесперебойную работу, то это 48-58 млрд долл.
Путь к спасению от неминуемого кризиса специалисты видят в развитии малой энергетики. Проблема будет стоять не настолько остро, в случае, если инфраструктуры районов и отдельные предприятия оснастить микроэлектростанциями (мощность до 100 кВт), миниэлектростанции (от 100 кВт до 5 МВт). Децентрализованные формы обеспечения энергией поселков и добывающих компаний — реальная перспектива в условиях назревшего кризиса. Наряду с этим автономная энергетика может быть гарантом защиты от перебоев в центральной электросети, в особенности в периоды пиковых нагрузок.
Определенная работа в направлении развития малой энергетики ведется. Так, на 2001 г. в России действовали:
• 1 геотермальная станция мощностью 11 МВт;
• 1500 ветрогенераторов мощностью от 0,1 кВт до 16 кВт;
• 50 микро и 300 малых гидростанций общей мощностью более 2 млрд кВт;
• 1 приливная станция мощностью 400 кВт;
• солнечные батареи общей мощностью около 100 кВт;
• солнечных коллекторов около 100 000 м ;
• 3000 тепловых насосов мощностью от 10 кВт до 8 МВт.
Но эти цифры, с учетом размеров наших территорий, ничтожно малы. На долю автономной энергетики в России сегодня приходится 8 % (17 млн кВт) от всех существующих мощностей. Несмотря на то, что российские власти понимают выгоду строительства мини-ТЭЦ и так называемых альтернативных электростанций (т. е. тех станций, которые работают на возобновляемых видах топлива (ВИЭ) — ветер, вода, солнечная энергия, биомасса), почему-то активно продолжают, как и в советское время, сооружение крупных ТЭЦ. И это притом, что большинство европейских стран во всеуслышание заявляет о своем желании осуществить переход на экологически чистые виды «топлива».
Между тем, специалисты утверждают, что крупные ТЭЦ экономически себя не оправдывают. Мощное дорогостоящее оборудование, не менее дорогое сервисное обслуживание — все это способствует росту себестоимости электроэнергии и тепла, а в результате, и мы видим это на практике, — стабильно растут тарифы. Крупные ТЭЦ заметно влияют на экологию того региона, где строятся: вмешательство в окружающую среду предполагает метровые диаметры трубопроводов сетевой воды в траншеях либо над землей, мачты многокилометровых линий электропередач. Эксплуатация подобных сетей стоит дорого. В то время как автономная электростанция малой мощности способна без труда снабдить электричеством целый поселок либо микрорайон. К сожалению, наших чиновников, в отличие от западных коллег, вопрос экологии волнует в меньшей степени.
Европейские страны и США с 2002 г. не рассматривают проекты крупных топливных электростанций, постепенно переходя на экологические источники энергии. Согласно прогнозам Мирового Энергетического Конгресса к 2020 г. в США, Германии, Японии, Великобритании и других развитых западных странах доля альтернативных экологически чистых источников энергии составит более 20 % всей производимой энергии (20 % потребления энергии в США — это все энергоснабжение России). К 2020 г. Европа планирует осуществлять теплоснабжение 70 %(!) своего жилого фонда за счет экологически чистой энергии, в частности, солнечной. В мире (без России) уже сейчас геотермическими станциями производится более 5200 МВт и в ближайшее время будет введено в строй еще более 2000 МВт таких генерирующих мощностей. В Дании уже сейчас 13 % электроэнергии вырабатывается с помощью возобновляемых источников. Швейцарский энергетический гигант АВВ недавно объявил, что начинает сворачивать свой бизнес по созданию атомных электростанций и переключается на разработку возобновляемых источников энергии и небольших электростанций, расположенных поблизости от потребителей.
И только Россия собирается выделить немалые средства на формирование топливной энергетики, в том числе и атомной. Всего в будущем в России планируется создать около 50 новых АЭС, из них около 20 плавающих АЭС, которые будут равномерно рассредоточены по всей стране. «Сегодня в России нет ни одной федеральной целевой программы по энергосбережению, — отмечает глава энергетического отдела «Гринпис» в России Владимир Чупров. — А между тем, энергосбережение и сокращение выбросов — это синонимы. Более того, с 2000 года в России расформирован особый федеральный орган по энергонадзору. Теперь за это совсем никто не отвечает». Сегодня в правительстве ведется рассмотрение новой энергетической стратегии развития России вплоть до 2030 г. (доклад д.т.н., проф. Бушуева В.В. Института энергетической стратегии Минэнерго России в сентябре 2008 г. «Эффективность — главный
приоритет энергетической стратегии России»). Она предусматривает повышение потребления угля (рис. 1), то есть дополнительных выбросов углекислого газа, в то время как Европа к 2040 г. собирается ликвидировать все электростанции, расположенные на суше. Существуют ещё оптимистические прогнозы экспертов, которые утверждают, что к 2050 г. весь мир перейдет к бестопливной энергетике.
2005 2010 2015 2020 2025 2030
□ газ □ нефть ■ уголь □ нетопливные ТЭР
Рис. 1. Энергетическая стратегия России в использовании различных видов ТЭР
Заинтересованность в использовании возобновляемых источников энергии — ветра, солнца, морского прилива и речной воды, — легко объяснима: нет нужды закупать дорогостоящее топливо, имеется возможность использовать небольшие станции для обеспечения электроэнергией труднодоступных районов. Последнее обстоятельство особенно важно для стран, в которых имеются малонаселенные районы или горные массивы, где прокладка электросетей экономически нецелесообразна.
В России зоны децентрализованного энергоснабжения составляют более 70 % территории страны. Обеспечение же энергией остальной территории осуществляется либо за счет локальных региональных энергосетей, либо за счет отдельных генерирующих мощностей, как правило, дизельных электрогенераторов. Поэтому не удивительно, что цена 1 кВтч в некоторых удаленных районах достигает 4 долл. До сих пор у нас можно встретить населенные пункты, в которых электричества не было никогда, причем не всегда на Крайнем Севере или в Сибири. Электрификация не затронула, например, некоторые уральские поселки в местах, которые вряд ли назовешь неблагополучными с точки зрения энергетики. Между тем электрификация отдаленных и труднодоступных селений — дело не такое уж и сложное. Так, в любом уголке России найдется речка или ручей, где можно установить микроГЭС.
Материал данного обзора касается перспектив использования в энергетике именно воды.
Малые ГЭС и микроГЭС используют энергию водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт). МикроГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически в любом месте. Гидроагрегат состоит из энергоблока, водозаборного устройства и устройства автоматического регулирования. Использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС является одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии в нашей стране. Основные ресурсы малой гидроэнергетики в России сосредоточены на Северном Кавказе, Дальнем Востоке, Северо-Западе (Ар-
хангельск, Мурманск, Калининград, Карелия), Алтае, в Туве, Якутии и Тюменской области.
Технико-экономический потенциал малой гидроэнергетики в России превышает потенциал таких возобновляемых источников энергии, как ветер, солнце и биомасса, вместе взятых. В настоящее время он определен в размере 60 млрд кВтч в год. Но используется этот потенциал крайне слабо: всего на 1 %. Не так давно, в 1950-60-х гг., у нас действовало несколько тысяч малых ГЭС.
Одним из основных достоинств объектов малой гидроэнергетики является экологическая безопасность. В процессе их сооружения и последующей эксплуатации вредных воздействий на свойства и качество воды нет. Водоемы можно использовать и для рыбохозяйственной деятельности, и как источники водоснабжения населения. Однако и помимо этого у микро- и малых ГЭС немало достоинств. Современные станции просты в конструкции и полностью автоматизированы, т. е. не требуют присутствия человека при эксплуатации. Вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению, причем станции могут работать как в автономном режиме, т. е. вне электросети энергосистемы края или области, так и в составе этой электросети. Полный ресурс работы станции — не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта). Объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.
В 1990-х гг., в связи с сокращением объемов крупного гидроэнергетического строительства в России, частично переориентировали свое производство на нужды малой гидроэнергетики такие предприятия, как АО «ЛМЗ» и АО «НПО ЦКТИ» (г. Санкт-Петербург), АО «Тяжмаш» (г. Сызрань) и др. Одновременно возникли, в том числе, в рамках конверсии, малые предприятия и акционерные общества, производящие оборудование для МГЭС. Среди них наиболее известны АО «МНТО Инсет» и НПЦ «Ранд» из Санкт-Петербурга, и АО «Напор», АО «НИИЭС», АО «Энергомаш» из Москвы и многие другие. В числе поставщиков оборудования следует отметить также региональные организации, входившие когда-то во Всесоюзный институт «Гидропроект». В настоящее время на российском рынке имеются комплектные гидроагрегаты с системами автоматического управления и регулирования для сетевых и автономных микроГЭС на напоры от 1 до 250 м, а также нестандартное гидромеханическое, подъемное оборудование, напорные трубопроводы, предтурбинные затворы, трансформаторные подстанции, распределительные устройства и другие компоненты, необходимые для строительства объектов малой энергетики. Для микроГЭС с использованием статического напора применяются гидроагрегаты с радиально-осевыми, пропеллерными, ковшовыми, наклонно- и поперечно-струйными, фронтальными гидротурбинами упрощенной конструкции. Для МГЭС с использованием скоростного напора применяются гидротурбины типа «Дарье», «Уэллс», «Савониус» и др. Генераторы для малых ГЭС производят АО «Электросила» (г. Санкт-Петербург), АО «Урал-электротяжмаш», АО «Привод» (г. Лысьва), АО «СЭГПО» (г. Сарапул), АО «СЭЗ» (г. Сафоново) и др.
Природа дает нам самый неприхотливый способ добычи энергии. К сожалению, мы его почти не используем. Надо отметить, что некоторые региональные администрации в последнее время проявляют инициативу в развитии этого направления. В Якутии будут строиться подводные мини-ГЭС (по патентам изобретателя С. Павлова). В Екатеринбурге (информация от 16 июля 2008 г.) для обеспечения отдаленных территорий Среднего Урала дешевой электрической энергией на реках региона будут построены мини-ГЭС. Их мощность будет варьироваться от 100 кВт до 10 МВт. Об этом сообщил заместитель министра промышленности, энергетики и науки Свердловской области Юрий Шевелев на оперативном совещании областного кабинета министров. Среди преимуществ такой малой энергетики заместитель министра назвал низкую себестоимость, использование возобновляемых топливно-энергетических ресурсов, отсутствие вредных выбросов в атмосферу, возможность сооружения вблизи потребителя. В рамках программы развития малой энергетики отобрано 14 объектов в 11 муниципальных образованиях Среднего Урала. Мини-ГЭС будут установлены на плотинах рек в горо-
дах Асбесте, Екатеринбурге, Заречном, Краснотуринске, Невьянске, Нижнем Тагиле, Серове, Ирбитском, Красноуфимском, Пригородном и Сысертском районах.
Специалистами МНТо «ИНСЭТ» за последние 4 года разработаны «Концепции развития и схемы размещения объектов малой гидроэнергетики» для республик Тыва и Алтай, соответственно 18 и 35 гидроузлов, на основе которых составлены 19 бизнес-планов и разработаны 6 рабочих проектов строительства малых ГЭС. В результате в Республике Тыва в 2001 г. введена в действие в Монгун-Тайгинском кожууне малая ГЭС установленной мощностью 165 кВт, построенная за 15 месяцев на р. Моген-Бурен для электрификации с. Кызыл-Хаей. В Республике Алтай в 2002 году сдана в эксплуатацию малая ГЭС мощностью 400 кВт в Улаганском районе для электроснабжения с. Балыкча, ведется проектирование и строительство еще трех малых ГЭС, в том числе в Кош-Агачском районе (микроГЭС на 500 кВт), Улаганском районе (микроГЭС на 250 и 200 кВт). В Республике Бурятия по проектам фирмы начато строительство двух гидроузлов установленной мощностью 1,5 МВт и 0,6 МВт, разрабатываются обоснования инвестиций еще по трем малым ГЭС. В настоящее время аналогичная работа проводится по решению руководства Челябинской, Читинской, Пермской областей и Ханты-Мансийского АО. Фирмой создан типоразмерный ряд в количестве 34 гидроагрегатов на напоры от 3 до 450 м единичной мощностью от 5 кВт до 5 МВт.
2. Бесплотинные конструкции мини- и микроГЭС
МикроГЭС — надежные, экологически чистые, компактные, быстро окупаемые источники электроэнергии для деревень, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных, горных и труднодоступных районах, где нет линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дольше, и дороже, чем приобрести и установить микроГЭС.
Гидроагрегат микроГЭС (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.
2.1. Мини-ГЭС, работающие по принципу водоворота, — гравитационная мини-ГЭС
Создавая этот необычный проект, его автор — австрийский изобретатель Франц Цотлётерер (Franz Zotlöterer) из местечка Оберграфендорф (Obergrafendorf) — думал в первую очередь об экосистемах (фауне, аэрации воды и т. п.), которые страдают от гидравлических электростанций. Даже мини-ГЭС на маленьких речках и каналах небезупречны. Кроме того, изобретатель парадоксальным образом нашёл способ повысить КПД таких сооружений. На первый взгляд, непросто совместить эффективность ГЭС с их экологической безупречностью. Автор предложил часть потока, вблизи берега, отводить в специальный канал, направляющий воду к «плотине». Последняя весьма необычна на вид. Это бетонный цилиндр, к которому вода подходит по касательной, обрушиваясь в центре в глубину. Так в центре цилиндра образуется водоворот, который закручивает турбину. Автор новации отмечает сравнительную простоту и дешевизну строительства такой ГЭС. Однако, несмотря на миниатюрность, станция наравне с крупными участвует в энергоснабжении. Турбина примитивна по форме и устройству, однако имеет неплохой КПД. Цотлётерер обнаружил у такой схемы мини-ГЭС следующие преимущества.
КПД преобразования энергии падающей воды в ток достиг 73 % при использовании не самого совершенного электрического генератора. За год непрерывной работы эта гравитационно-водоворотная станция, установленная на ручье, выработала свыше 50 мВтч электричества, проданных изобретателем станции энергокомпании «EnergieVersorger Niederosterreюhs», при рабочем перепаде высот воды примерно в 1,3 м и расходе примерно в 1 м3/с. Максимальная электрическая мощность этой мини-станции достигает 9,5 кВт. В среднем этого достаточно для питания 10-15 коттеджей (с учётом неравномерности уровня потребления). Изобретатель уверен, что такая схема наиболее оптимальна для возведения ГЭС мощностью до 150 кВтч. Причём конструкция начинает превосходно работать (показывает хороший КПД турбины) уже при перепаде высот всего в 0,7 м.
Скорость вращения турбины оказалась довольно низкой, так что для рыбы, попавшей в водоворот, лопасти колеса опасности не представляют. Тем более что лопасти эти не рассекают воду, а поворачиваются синхронно с водоворотом. Водоворот перемешивает загрязнители, одновременно хорошо аэрируя воду, что способствует интенсивной работе микроорганизмов, очищающих её естественным образом. Это свойство станции восстанавливает процессы, идущие в обычной реке, которой присущи многочисленные повороты. В больших спрямлённых руслах каналов и водохранилищ почти ламинарное течение приводит к исчезновению аэрации воды и, как следствие, потере её способности к самоочищению. Водоворот способствует терморегуляции в водоёме. Увеличенная площадь контакта воды с воздухом приводит к её охлаждению за счёт испарения жарким летом. Зимой же ГЭС продолжает работать подо льдом. Наиболее плотная вода (с температурой 4 ОС) тяготеет к центру водоворота. По краям цилиндра образуется ледяная корка, которая выступает в роли утеплителя, не дающего слишком сильно охладиться центру.
По информации автора, эта станция обошлась примерно в 75 тыс. долл., что дешевле, чем аналогичная по мощности мини-ГЭС, построенная по классическому плотинному образцу. Автор отмечает лучшую ремонтопригодность, значительно меньшие сложность и периодичность обслуживания, более простую конструкцию и прочие технологические преимущества этой станции.
Рис. 2. Водоворотная микроГЭС1
2.2.
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 тур-бинно-тросовым гидроприводом, который вращается от потока течения реки. На рис. 3 упрощенно показана конструкция такой мини-ГЭС (автор Б. С. Блинов, 70-е гг. 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.
Рис. 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
Ориентировочные расчеты 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.
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 гир-ляндной ГЭС не превышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м вполне возможно использовать роторы, расположенные в два ряда.
Другой вариант тросового гидропривода (рис. 4) содержит стальной трос 1, заякоренный на дне реки; жестко закрепленную на нем гидротурбину 3, и механическую опору 4 для приема вращающегося троса 1 на берегу. Механический передаточный узел содержит узел вращения 14 троса 1, совмещенный редуктор 7, 8, и вал вращения 13. Приведенный 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) разработала серию генераторов, которые могут преобразить малую гидроэнергетику.
Аппараты «RiverStar», «TidalStar» и «OceanStar» призваны стать основой сравнительно недорогих и легко масштабируемых ГЭС, работающих на реках («RiverStar»), в проливах («TidalStar») и в открытом море («OceanStar»). Эти установки обладают рядом любопытных особенностей. «RiverStar» (рис. 5) представляет собой капсулирован-ный 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.
Рис. 4. Тросовая мини-ГЭС с якорным креплением
Модули «Иуе^аг» не требуют для установки каких-либо работ на дне реки, якорей и плотин. Такая цепь генераторов держится 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 «Иуе^аг» могут обеспечить электричеством 1 тыс. близлежащих домов.
Помимо простого гладкого корпуса капсулы могут иметь вид островков с травой и кустарником, песчаных отмелей или больших камней, что способствует украшению ландшафта.
Для свободнопоточ-ных роторов гирляндных гидростанций эффективнее всего схема простого 2-лопастного пропеллера. Ниже представлены мощности гидротурбин, вырабатываемые 2-лопастным ротором, с омываемой площадью 1,0 м2, при КПД = 0,5 и при течении воды с различной скоростью.
Таблица 1
Вырабатываемая мощность 2-лопастным ротором гирляндной гидростанции
в водном потоке
Скорость водного потока (V, м/ф 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 10,0
Мощность гидроэлектростанции (Р, кВт) 2,45 9,80 22,05 39,20 61,25 245,00
Как видно из представленной таблицы, перспективы использования свободнопо-точных, пропеллерных роторов, в качестве гидротурбин весьма заманчивы. Выбор рациональных конструкций турбин для гирляндных гидроэнергоустановок позволяющих удерживать установку в середине потока, обеспечивают разработки АО «Казгылым», г. Алматы, автор Буктуков Николай Садвокасович.
2.3. МикроГЭС в потоке на понтонах
Учеными Ташкентского государственного технического университета создана мобильная высокоэффективная микроГЭС, вырабатывающая электроэнергию с использованием гидравлической энергии потока. Для этого она устанавливается на понтоны и преобразовывает гидравлическую энергию свободного потока воды в электрическую.
Конструкция, созданная на основе дешевых материалов и устройств, проста. В ней используются ковшовые рабочие колеса, водосливы и потоконаправляющие лопасти. В среднем мощность водного потока искусственного русла и ирригационных каналов составляет от 3 до 10 кВт. На участке в 1 км можно установить до 100 микроГЭС.
2.4. Бесплотинные ГЭС нового поколения (БГЭС)
Рис. 6. Гидропривод Ленёва
Новые интересные решения гидропривода предлагают изобретатели. Один из них — житель Красноярска Николай Ленёв (патент №2166664 от 10.05.01).
В изобретении отмечается оригинальный, ранее не применявшийся ни в одной из существующих конструкций, способ использования энергии как водного потока любого вида (рек, ручьёв, 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 отъёма 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.
«Для того, чтобы понять, ощутить, как и какие силы действуют в бесплотинной ГЭС (БГЭС — Бесконечной Гравитационной Энергетической Системы), — пишет автор, - достаточно провести эксперимент в собственной квартире: наберите воды в свою ванну, отмерьте 1 м и поставьте метки, для начала просто проведите ладонью по этому отрезку за 1 секунду. Попробовали? Теперь возьмите на кухне разделочную доску. Осторожно проведите потихоньку несколько раз, стараясь приблизиться к скорости 1м/с. Почувствовали, какое усилие? Но это ещё не всё! Поверните свою доску
на 45° и попробуйте вновь, стараясь удержать руку параллельно длине ванны, по-прежнему стремясь к скорости 1м/с. Впечатляет!?»
По заключению проф. Л. Н. Бритвина, такая установка создаёт перед собой небольшой подпор сантиметров 10 при скорости потока 1 м/с, а за собой - разряжение, и потому на лопасть вода, падая с этого подпора, воздействует уже с иной скоростью, чем в окружающем потоке. А при наличии ещё и разряжения на выходе установки поток под действием центробежной силы и гравитационной постоянной увеличивает свою скорость. В чём не трудно убедиться на представленных фотографиях по выходящему потоку и буруну, который он создаёт (рис. 7). Два ряда лопастей движутся навстречу друг другу - следовательно, происходит закручивание потока, причём с образованием двух встречных вихрей. Число Рейнольдса у рассматриваемой установки составляет 170 000 (старший научный сотрудник ФИАНа к.т.н. Захаров С. Д.). Вода «кипит» внутри, даже цвет немного меняется. Явление кавитации заставляет производить полезную работу, не разрушая из-за малых скоростей и давлений тело установки.
Рис. 7. Фото работающей установки на р. Базаихе перед погрузкой
Конструкция представляет собой систему (два ряда) лопастей прямоугольной формы (плоская пластинка), оси которых делят их на две неравные 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 (либо на любом другом гибком элементе).
Цепи передают усилие через звёздочки (рабочие колёса) на два вертикальных вала, с которых механическая энергия движущейся среды (воды, воздуха и т. д.) через гибкую муфту и промежуточный вал передаётся на валы электрогенераторов. Валы установки через подшипники скольжения (качения) жёстко закреплены на каркасе установки, имеющем 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. Меняя расстояние между подвижной направляющей для лопасти и неподвижной для цепи, мы задаем необходимый угол поворота между лопастью и направлением основного потока от О0 до 450, добиваясь тем самым оптимального режима работы установки, либо останавливая её полностью. Таким образом, поток воздействует на лопасть фактически перпендикулярно, под 900 (рис. 8). 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 катиться по неподвижным направляющим, удерживая тем самым цепь постоянно в перпендикулярном положении относительно направления основного потока.
В отличие от известных данная конструкция может создаваться из подручных материалов, т.е. реализуется при ручном изготовлении, проста в монтаже и обслуживании. Она позволяет использовать комплектующие из уже выпускающегося на сегодня оборудования, как-то сельскохозяйственная техника, отслужившего свой срок автотранспорта и прочего подходящего «железа». А это многократно удешевляет изготовление первого изделия, которое за два-три месяца окупит свою себестоимость и при сегодняшних тарифах на электроэнергию принесет доходы. Возможны любые другие комбинации данных размеров, например, для ручья — уменьшенная глубина, но за счёт количества блоков вдоль длины ручья набираем любую необходимую мощность. 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.
Рис. 8. Свободнопоточная мини-БГЭС Н. Ленева:
1 - пластина; 2 - приводной ремень - цепь Галя; 3 - «звёздочка»; 4 - корпусные конструкции
Некоторые технические характеристики предлагаемой установки
Размеры рабочего колеса («звездочек») Диметр вала
Объем воды, поступающий на установку Количество блоков лопастей Количество лопастей в блоке Размеры лопастей Площадь, пересекаемая потоком Мощность
Стоимость выработанной за месяц энергии
Стоимость затрат на изготовление установки в кустарных условиях Материалоемкость
Сроки изготовления (серийное) Сроки монтажа
500-350 мм 25-50 мм
1,200 х 0,700 х 1,250 = 1 м3
3
17
150 мм х 500 мм 3,375 м2 20 кВт
20 кВт * 24 часа * 30 дней * 2,06 руб (тариф региона с 1 января 2009) = 29 660 руб./мес. 100 у .е.
до 2-3 кг/кВт (в зависимости от применяемого
материала)
1-2 ч
1-1,5 ч
Количество блоков не ограничено и зависит от необходимой мощности и размеров реки. Данную установку следует изготавливать из любых подручных материалов: дерево, пластмасса, алюминий, железо, титан — всё что угодно и по карману. От этого будут зависеть только сроки эксплуатации установки. На выработку электроэнергии это никак не повлияет. Следует обратить внимание, число оборотов у неё довольно низкое (45/60), да и работает она постоянно в воде, т. е. износ материалов будет минимальным.
Много вопросов возникает о её заиливании, зарастании водорослями и т. д. Брёвна, крупные ветки, прочий крупногабаритный мусор задерживается сеткой. Всё остальное пройдёт через неё как по конвейеру. В зимний период применим давно используемый плотогонами способ поднятия теплых нижних слоёв воды с помощью нескольких брёвен перед установкой имеющих на одном конце груз, а на другом - поплавок. Вода, поднимаясь, размоет во льду необходимую нам майну. Конструкция установки настолько проста, что не требует работы квалифицированного персонала.
Сразу же после первых испытаний работающей станции в Красноярске факт увеличения скорости потока на выходе из установки натолкнул автора на мысль о возможности создания круглой БГЭС. Т. е. 12 блоков ставятся в кольцевой канал, имеющий наклон в 10 раз больший, чем на реке Енисей, т. е. 10 мм на метр длины, и, соответственно, имитирующий реку. Причем поток, имеющий довольно значительную скорость (теоретически - это 531 км/с), легко преодолеет трамплин в 12 см, который образуется между 12-й и 1-й станциями.
2.5. Бесплотинная ГЭС с промежуточным башенным резервуаром
Это техническое решение пригодится для горной местности и также защищено патентом на изобретение (информация от 11 февраля 2008), относится к гидростроительству и может быть применено для получения энергии от реки без нарушения её гидрологических характеристик и экологии как самой реки, так и прилегающей к ней местности.
Задача предложения заключается в определении основных соотношений конструктивных параметров, обеспечивающих экономическую эффективность строительства и эксплуатации напорных деривационных ГЭС, и обеспечивается тем, что бесплотинная ГЭС содержит водозабор в самой реке, но выше по течению, а от него уже тянется питающий напорный водовод (напорная деривация) до стабилизирующего резервуара, в виде башни, с гасителем во внутренней полости. Длина питающего напорного водовода определяется отношением проектной высоты напора воды в башне, к среднему уклону на используемом участке реки. Кроме того, площадь поперечного сечения промежуточного резервуара-башни должна быть не менее 4-кратной величины площади поперечного сечения питающего напорного водовода, причем общая площадь поперечного сечения трубчатых водовыпусков на лопасти гидротурбин не должна превышать общей площади сечения питающих напорных водоводов. Напорный водовод (железобетонной трубы) может быть уложен в русло реки, ближе к берегу, чтобы не мешать судоходству.
Из условия стабильности работы ГЭС площадь поперечного сечения промежуточного резервуара-башни выбрана не менее 4-кратной величины площади поперечного сечения питающих водоводов. Трубчатые во-довыпуски в здании ГЭС обеспечивают подачу воды из промежуточного резервуара на гидротурбины, причем общая площадь поперечного сечения трубчатых водовыпусков на турбины не должна превышать площади сечения питающего водовода.
Работает устройство следующим образом: вода, поступающая по питающему напорному водоводу (или нескольким водоводам) от водозабора выше по реке, в промежуточный резервуар-башню, выходит из него в устойчивом режиме, благодаря гасителям, а по трубчатым водовыпускам попадает на лопасти гидротурбин. Для подобной схемы ГЭС отработана собственная турбина (ноу-хау) с высоким КПД, причем есть возможность создать каскад мини-ГЭС на «отработанной» воде после башни.
Заявленное предложение имеет следующие новые технические результаты: при значительно меньшей стоимости, по сравнению с плотинными ГЭС, обеспечивается стабилизация, с одной стороны, колебания уровней воды в реке в месте выхода отводящей деривации и, с другой стороны, выравнивание потоков воды, поступающих на лопасти гидротурбины из промежуточного резервуара-башни или дается возможность использовать другие способы воздействия на гидротурбину, или применить другие типы турбин. Отпадает необходимость в строительстве котлованов и плотин, а также шлюзов и рыбопропускников, а главное, нет надобности в затоплении территории и неожиданных сбросах, кроме того, напорную трассу можно проложить по прибрежному дну реки, что сохранит земли и удешевит земляные работы.
Подобные башенные ГЭС могут размещаться где угодно: вдоль рек, или в дали от них, но ближе к потребителю, в ущельях горных потоков или на берегах морей и да-
Рис. 10. Бесплотинная гидроэлектростанция с промежуточным башенным резервуаром
же на искусственных островах — лишь бы удобна и недорога была прокладка напорных водоводов к зданиям ГЭС. Сейчас параллельно разрабатывается простая технология строительства башни, гасителей и напорных труб с применением метода «мокрого торкретирования» без опалубки, в непосредственной близости от объекта, что удешевляет строительство.
2.6. ГЭС на энергии взрывной волны
Если для мини-ГЭС (ее гидротурбины) нужна вода и напор, то можно использовать силу взрывной волны в воде, сосредоточив и направив ее на лопасти гидротурбины (турбины можно использовать традиционные, но лучше создавать для каждой мини-ГЭС свою).
Рассмотрим одиночный энергоблок, состоящий из корпуса в виде железобетонного или металлического цилиндра, заполненного водой, на дне которого размещено устройство с направляющим соплом, причем сама взрывная камера (пока ноу-хау) выведена за пределы цилиндра. Диаметр цилиндра (в данном варианте) 80-120 см, высота около 2 м, а в районе 1,5 м крепится гидротурбина с особой конструкцией лопастей, ось которых выходит на крышку цилиндра, где связана через редуктор с генератором тока.
Работает устройство следующим образом. С заданной периодичностью в камере взрывается расчетное количество взрывного вещества (ВВ). Взрывная волна жидкости (вода) по стволу выходит через сопло в заполненный водой цилиндр и вращает лопасти турбины, а та, в свою очередь, через редуктор вращает гидрогенератор. Главное — рассчитать вес ВВ для создания волны, а не всплеска воды. Если это одиночный энергоблок, то в верхней части цилиндра устраивается расширитель для гашения взрывной волны. Также важно рассчитать и периодичность взрывов, они должны идти в таком ритме, чтобы волна, действующая на лопасть, не имела больших перерывов и вращала лопасти с постоянной скоростью. Управлять работой подобных ГЭС может компьютер.
Мощность подобной мини-ГЭС должна быть до 30 кВт. В зимнее время в цилиндре должна быть незамерзающая жидкость или соленая (морская) вода.
Из этих гидроэнергоблоков можно создать более крупную гидростанцию, соединив их в кассету. В этом случае вода заполняет весь кассетный блок, а цилиндры у донной своей части имеют отверстия для свободной циркуляции воды. Подобная ГЭС, диаметром около 6 м и высотой 2-2,5 м с шестью энергоблоками, уже может иметь мощность до 300 кВт.
Стоит сказать, что для создания взрывной волны не обязательны твердые взрывчатые вещества. Можно использовать другие виды носителей энергии, способные создать волну. Взрывчатые вещества мы включили в разработку только потому, что оборонная промышленность утилизирует очень много боеприпасов. Мощную гидростанцию можно создать и с традиционным напором воды на рабочие турбины, но с замкнутым циклом водоподачи, с помощью той же взрывной волны. Опыт и расчеты показали, что 50 г взрывчатых веществ могут «подать» 1 т воды на высоту до 8 м. Этот вариант требует опытных экспериментов по подбору соотношений диаметров напорных трубоводов и труб, подающих воду в верхний бассейн. Мини-ГЭС могут обеспечить
электроэнергией далекие поселки и предприятия в аварийных ситуациях на централь-
1
ных линиях электропередач .
2.7. Рукавные микроГЭС
В 70-е гг. 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
1 По материалам Международной научно-технической конференции «Изобретатель». МГУП, www.eprussia.ru
высот не менее 4,0-5,0 м. В качестве генераторов могут быть использованы обычные трёхфазные асинхронные электродвигатели, с реактивным самовозбуждением от параллельно подключенных к обмоткам конденсаторов, из расчета 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
Рис. 11. Схема рукавной микроГЭС: в 4 раза при одном и том же расходе
1 - ручей; 2 - уровень запруды; 3 - плотина; воды
4 - труборукав; 5 - гидротурбина; .
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.
2.8. Наплавная мини-ГЭС барабанного типа (НБ мини-ГЭС)
Наплавная мини-ГЭС барабанного типа предназначена для преобразования механической энергии свободного потока воды (рек, сбросов ГЭС и других гидротехнических сооружений) в механическую энергию вращения барабана с целью дальнейшего
1
генерирования электроэнергии .
Основой НБ мини-ГЭС является барабанный модуль (БМ) 1, предназначенный для преобразования энергии свободного потока воды в водоеме в электрический ток (рис. 14). Корпус БМ с установленными в нем генераторами 2 и необходимой автомати
1 По материалам Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология». 2005. № 9 (29). Авторы А. Г. Соло-
ницын, А. Т. Беккер, Дальневосточный государственный технический университет, НПО «Гидротекс».
кой, доставляется к месту установки без лопастей 3 и опорных элементов 4. Механическая связь генераторов с валами 5 осуществляется посредством демпфирующих- центрирующих муфт 6 произвольной конструкции. Конечная сборка БМ производится на берегу водоема в непосредственной близости от кромки воды либо с частичным подтоплением. К корпусу БМ присоединяются лопасти, далее к валам присоединяются опорные элементы и разъем 9.
Рис. 14. Мини-ГЭС барабанного типа
При вращении БМ преобразует энергию потока в механическую энергию вращения корпуса посредством лопастей. Энергия вращения преобразуется в электроэнергию в генераторах, узлы которых конструктивно могут являться одновременно узлами корпуса. Возможен вариант «архимедова винта», когда ось параллельна потоку. В полости корпуса может быть размещен жидкий хладагент, например, непроводящее трансформаторное масло. После герметизации возможно заполнение через систему ниппелей 8 корпуса инертными газами либо двуокисью углерода для предотвращения окисления в процессе эксплуатации. Может быть использован герметичный балластный танк 7 для устранения чрезмерной плавучести (глиссирования). БМ выполнен таким образом, что не может выдавать электроэнергию без соблюдения всех условий безопасности и правильного подключения к приемнику. БМ в рабочем положении не подвержен механическому разрушению и даже не теряет работоспособности при воздействии посторонних крупных предметов, которые проходят под корпусом и лопастями. Предполагается разработка барабанных модулей повышенной надежности с ориентировочным сроком службы не менее 100 000 моточасов при средней наработке на отказ не менее 5000 ч (один сезон).
БМ работает в условиях произвольных уровней воды в водоеме (рис. 15). Направляющие доски 1, установленные на дышлах 2, в штатном режиме (высокий уровень воды) выполняют роль направляющих потока в зону БМ и позиционируются по конкретной обстановке. При низком уровне нижние ребра досок, имеющие соответствующие площадь опоры и конфигурацию, выполняют функции донных упоров, не допускающих посадку лопастей на дно водоема.
Конструкция НБ мини-ГЭС состоит из барабанного модуля 1 и берегового модуля 5. К опорным элементам крепятся дышла 2, тросы 6, доски с упорами 7 и кабели 8. Быки 3, 4 с лебедками и тросы предназначены для удержания и перемещения БМ. Один трос и бык 9 являются эвакуационно-страховочными. Береговой модуль 5 осуществляет контроль внутренних функций конструкции и потребителя электроэнергии. Электрический приемник 10 в его составе предназначен для преобразования тока в нужный промышленный стандарт. На берегах обустраиваются бетонные основания быков. Концы тросов укрепляются в лебедках. Путем подтягивания и стравливания соответствующими лебедками БМ позиционируется в нужную точку русла и остается там в рабочем положении для получения энергии вплоть до эвакуации, располагаясь таким образом, что продольная ось БМ, в общем случае, перпендикулярна направлению потока. На одном из берегов, выше уровня максимального подтопления, обустраивается от-
дельное фундаментное основание, после чего на него устанавливается береговой модуль. БМ соединяется с ним необходимыми кабелями и выдает ток по кабелям 8 в электрический приемник. В него также выдается управляющая информация по кабелям, либо по радиосвязи. Расположение берегового модуля и быков на берегу снижает вес плавучей части устройства, повышает надежность БМ, облегчает обслуживание береговой части. Разъемное соединение БМ и приемника обеспечивает неразрушаю-щее размыкание в случае непредвиденного смещения БМ в русле. При этом выдача электроэнергии автоматически блокируется.
БМ может генерировать токи произвольного стандарта, включая постоянный ток, низкочастотные синусоидальные и квазисинусоидальные токи, снимаемые с электрогенераторов при наличии электронных средств преобразования.
Рис. 15. Мини-ГЭС барабанного типа на водоеме
В качестве генераторов могут быть использованы: стандартные синхронные и асинхронные генераторы напряжением 380/220 В и 6-10 кВ, генераторы постоянного тока и т. п. — с прямой врезкой в сеть, с дальнейшим преобразованием формы сигнала или без него. Большинство генераторов требуют повышающего редуктора, соблюдения стабильности частоты вращения для исключения срыва возбуждения, повышающих трансформаторов для сети потребителя 6-10 кВ. Все это снижает эффективность устройства.
Основной и наиболее эффективный вариант — использование низкооборотных синхронных многополюсных высоковольтных генераторов с витыми кабельными обмотками (ВСГКО) в полупроводниковом полевом экране (field shadow), прототипы которых разработаны в последние годы рядом европейских компаний, и любых подобных, которые будут разработаны в будущем. Генератор при малых оборотах, например, 18 об/мин, при скорости течения 4 м/с выдает квазисинусоидальный ток напряжением десятки киловольт и частотой в единицы герц. Данный ток выпрямляется диодными либо тиристорными схемами и преобразуется далее в инверторе, собранном на тиристорах GTO или транзисторах IGBT, в промышленный трехфазный стандарт, например, 6-10 кВ, 50 Гц. Другими словами, используется метод косвенной, опосредованной врезки в сеть (indirect grid inset). Нет необходимости в повышающих трансформаторах 0,4/6-10 кВ для поселковых ЛЭП. Именно данный метод позволяет наиболее эффективно применять мини-ГЭС барабанного типа, т. к. использование данных генераторов по нашим расчетам увеличивает энергоэффективность мини-ГЭС на 25 %. Основными
требованиями к генераторам в данном случае является не форма выходного тока и не диаметр генератора, который может составлять до 6-7 м, а следующие параметры:
- выходное напряжение не выше напряжения пробоя схем силовой автоматики;
- возможность выдачи гарантированной для данной реализации мощности в наихудшем для данных гидрологических энергетических условий ситуации, что определяется, в конечном итоге, линейной скоростью обмоток якоря относительно постоянных магнитов (обмоток ротора), т. е. скорость течения должна быть значительной.
Основные достоинства конструкции:
1. Предлагаемая мини-ГЭС не наносит ощутимого вреда окружающей среде вследствие отсутствия как плотины, так и деривационного канала, не препятствует свободному перемещению гидрофауны.
2. В связи с этим резко сокращается удельный объем строительно-монтажных работ на месте. Они составляют для плотинных ГЭС порядка 80 %, для деривационных — 40-50 % общей стоимости проекта, а в данном случае могут быть снижены до 30 %.
3. Агрегат более динамичен, чем плотинные и деривационные ГЭС.
4. Нет необходимости в создании дорогостоящих бассейнов регулирования стока, не требуется противоразгонных устройств и уравнительных резервуаров.
5. Конструкция менее подвержена действию ледохода и бурелома (заломы).
6. Данная конструкция позволяет использовать генераторы совершенно различного типа.
3. Типы используемых в малой гидроэнергетике турбин
Существуют разные конструкции гидротурбин, соответствующие разным скоростям течения и разным напорам воды.
Ось вращения турбины, рассчитанной на большой расход и малый напор, обычно располагают горизонтально. Такие турбины называют осевыми или пропеллерными. Во всех крупных осевых турбинах лопасти рабочего колеса могут поворачиваться в соответствии с изменениями напора, что особенно ценно в условиях переменного напора. Расчетный диапазон напора для горизонтальных осевых турбин составляет 3-15 м. Вертикальные осевые турбины используются при напорах от 5 до 30 м. Конструкцию поворотно-лопастных турбин предложил в 1910 г. австрийский инженер В. Каплан. Лопатки их направляющего аппарата поворачиваются на осях, параллельных валу, и турбина снабжена подводящей камерой, к которой подходит водовод.
При повышенных напорах (от 12 до 300 м) более предпочтительны радиально-осевые турбины, в которых вода, входя по радиусу, выходит в осевом направлении. Такие турбины существенно усовершенствовал американский инженер Дж. Френсис, начавший эксперименты с ними в каналах под Лоуэллом (Массачусетс, США) в 1851 г. (рис. 16).
Радиально-осевые турбины обычно отличаются лопатками большого диаметра, жестко закрепленными на рабочем колесе, но направляющий аппарат в них такого же вида, как и в поворотно-лопастных турбинах. Перечисленные турбины обычно называют реактивными.
Турбины для напоров, превышающих 300 м, совершенно иные, нежели описанные выше. В них имеются от одного до шести сопел кругового сечения, создающих водяные струи, которые падают на лопасти рабочего колеса. Расход воды регулируется перекрытием проходного сечения сопел. Рабочее колесо работает не под водой, как в осевой и радиально-осевой турбинах, а в воздухе. Высокоскоростная свободная водяная струя бьет в лопасть рабочего колеса, которая имеет форму двойного ковша. Конструкция ковшовой гидротурбины была предложена в 1878 г. и запатентована в 1880 г. американским инженером А. Пелтоном (рис. 17, 18).
Рис. 16. Турбина Франсиса Рис. 17. Турбина Пэлтона
Ковшовая гидротурбина называется активной (свободноструйной), поскольку в соплах напор падает до нуля, и сила, действующая на лопасти, создается ударом струи. Осевая же и ра-диально-осевая турбины относятся к реактивным (напороструйным), т. к. поток продолжает ускоряться в проходах между лопастями рабочего колеса и крутящий момент частично создается реакцией,ответственной за ускорение1.
ООО «Энерго-Альянс» в состоянии проектировать и производить микро и малые гидротурбины любых типов и на любые напоры, однако специализируется на проектировании и производстве низконапорных поперечно-струйных турбин (рис. 19).
После ряда усовершенствований, сделанных фирмой в проточной части и конструкции турбины и защищённых патентами, турбины ООО «Энерго-Альянс», применительно к малой энергетике, не уступают классическим типам турбин по своим энергетическим и эксплуатационным качествам, а по ряду показателей превосходят их. При одинаковых условиях турбины ООО «Энерго-Альянс» имеют меньшие размеры, стоимость и затраты на сооружение гидротехнических сооружений по сравнению с классическими турбинами. ООО «Энерго-Альянс» осуществляет комплектную поставку низконапорных гидроагрегатов, и в недалеком будущем планирует осуществлять поставку погружных гидроагрегатов, оснащенных поперечно-струйными турбинами. Гидроагрегаты предназначены как для работы в промышленной сети, так и для работы на изолированного потребителя.
С 2000 г. ООО «Ветрогидроэнергетика» — один из разработчиков и производителей оборудования для малых и мини-ГЭС России — проводит работы по созданию уникальной тяговой гидротурбины для малых ГЭС2. Идея этой гидротурбины принадлежит ООО «Ветрогидроэнергетика». Особенности гидротурбины таковы, что они позволяют эффективно вырабатывать электроэнергию с достаточно высоким КПД, на водяных потоках, с напором и скоростью воды, при которых все известные иные конструкции гидро-
1 По материалам www.krugosvet.ru
2 www.intersolarcentr.ru
турбин вообще не работают. На данную гидротурбину получено 4 патента, как на изобретение. Работоспособность и расчетные характеристики подтверждены испытаниями в России на отводном канале Ириклинской ГРЭС. Имеющаяся конструкторско-технологическая документация освоена давним партнером ООО, известным в России ПО «Стрела», специализирующимся на производстве первоклассной авиационной техники.
Рис. 19. Поперечно-струйные турбины
ПО «Стрела» по заданию ООО «Ветрогидроэнергетика» готово производить данные гидротурбины в больших партиях. Данная гидротурбина неоднократно выставлялась на различных выставках и конкурсах. В региональном конкурсе ООО получило 1-е место, диплом и соответствующий грант. Информация об успешном создании такой гидротурбины неоднократно приводилась в различных специальных технических изданиях, в том числе и за рубежом. В результате, в начале 2004 г. ООО «Ветрогидроэнергетика» заключило контракт с одной из испанских компаний, специализирующейся на разработке и эксплуатации экологически чистых альтернативных источников энергии.
Общая цель энергетической политики России, провозглашенной в конце 2008 г. как Энергетическая стратегия страны до 2030 г. (ЭС-2030), — это максимально эффективное использование всего энергетического потенциала для устойчивого роста экономики и качества жизни населения страны. В число приоритетных задач входит и региональный аспект обеспечения энергетической безопасности, в том числе снижение зависимости регионов от внешних поставок топлива.
Омский регион пока ориентирует свою энергетическую стратегию на традиционные источники энергии — крупные ТЭЦ. Правда, можно надеяться, что фонд «Новая энергия» в своих попытках взаимодействовать с регионами Сибирского федерального округа в области совместного изучения и освоения гидропотенциала малых рек и его программа развития малой гидроэнергетики поможет обратить взоры глав органов исполнительной и законодательной власти регионов Сибири, представителей деловых кругов и научного сообщества в пользу нетрадиционных источников. По мнению экспертов, Сибирский федеральный округ является одним из наиболее перспективных регионов России для активного строительства объектов малой гидрогенерации. Технический гидропотенциал малых рек Сибири оценивается в 154 млрд кВтч, что позволит построить малые ГЭС общей установленной мощностью более 38 ГВт. Хотелось бы надеяться, что и Омская область примет в этом участие. Малая гидроэнергетика позволит надежно, в автоматическом режиме обеспечить электроэнергией малые объекты, объекты временного назначения, поселения и т. д., расположенные в прилегающих к нашим рекам районах.
© В.Д. Авилов, Л.Е. Серкова, 2009
Авилов Валерий Дмитриевич - д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электриче- Дата поступления статьи ские машины и общая электротехника» Омского государственного университета в редакцию: путей сообщения 09.02.2009 г.
Серкова Любовь Ефимовна - к.т.н., доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения
