Малая гидроэнергетика. Малая гидроэнергетика в мире Малые гидроэлектростанции

По теме малой и микрогидроэнергетики мы поддерживаем отдельный информационный сайт www.microhydro.ru

Нетрадиционной энергетике последнее время уделяется пристальное внимание во всем мире. 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.

Две трети территории России не подключено к энергосистеме

В России зоны децентрализованного энергоснабжения составляют более 70% территории страны. До сих пор у нас можно встретить населенные пункты, в которых электричества не было никогда. Причем не всегда это поселения Крайнего Севера или Сибири. Электрификация не затронула, например, некоторые уральские поселки - края, который вряд ли назовешь неблагополучным с точки зрения энергетики. Между тем, электрификация отдаленных и труднодоступных населенных селений - дело не такое уж и сложное. Так, в любом уголке России найдется речка или ручей, где можно установить микроГЭС.

Малые и микроГЭС - объекты малой гидроэнергетики. Эта часть энергопроизводства занимается использованием энергии водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт). Малая энергетика получила развитие в мире в последние десятилетия, в основном из-за стремления избежать экологического ущерба, наносимого водохранилищами крупных ГЭС, из-за возможности обеспечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных районах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств (в пределах 5 лет).

Где можно установить небольшую гидроэлектростанцию?

Гидроагрегат малой ГЭС (МГЭС) состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления. По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разделить на следующие категории: новые русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами; станции, использующие скоростную энергию свободного течения рек; станции, использующие существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства - от судоходных сооружений до водоочистных комплексов (а сейчас уже существует опыт использования питьевых водоводов, а также промышленных и канализационных стоков). Использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС является одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии и в нашей стране. Основные ресурсы малой гидроэнергетики в России сосредоточены на Северном Кавказе, на Дальнем Востоке, на Северо-Западе (Архангельск, Мурманск, Калининград, Карелия), на Алтае, в Туве, в Якутии и в Тюменской области.

МикроГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически в любом месте. Гидроагрегат состоит из энергоблока, водозаборного устройства и устройства автоматического регулирования. Используются микроГЭС как источники электроэнергии для дачных поселков, фермерских хозяйств, хуторов, а также для небольших производств в труднодоступных районах - там, где прокладывать сети невыгодно.

Малая энергетика востребована всего на 1%

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. кВт-ч в год. Но используется этот потенциал крайне слабо: всего на 1%. Не так давно, в 1950-60-х годах, у нас действовало несколько тысяч МГЭС. Сейчас - всего лишь несколько сотен - сказались результаты перекосов в ценовой политике и недостаточное внимание к совершенствованию конструкций оборудования, к применению более совершенных материалов и технологий.

К вопросу экологии

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. А полный ресурс работы станции - не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта). Ну а главное - объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.

О производителях оборудования

В 1990-х годах 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 компании, 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. 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 МГЭС на напоры от 1 до 250 метров, а также нестандартное гидромеханическое, подъемное оборудование, напорные трубопроводы, предтурбинные затворы, трансформаторные подстанции, распределительные устройства и другие компоненты, необходимые для строительства объектов малой энергетики. Для МГЭС 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. Увы, мы им почти не пользуемся. Остается только надеяться, что в дальнейшем, при развитии малого производства, необходимость в использовании энергии бесчисленного количества естественных водоемов России все-таки возникнет.

Малая ГЭС ‘Чала’

Осенью прошлого года санкт-петербургское АОЗТ ‘МНТО Инсет’ завершило работы по вводу в эксплуатацию грузинской МГЭС ‘Чала’ мощностью 1500 кВт (три гидроагрегата по 500 кВт). Строительство этой станции началось давно, в 1994 году, а первые гидроагрегаты были отгружены еще в 1995-1996 гг. Однако вовремя завершить строительство помешало отсутствие средств у заказчика - завода по производству спиртных напитков (бывший завод ‘Слезы Лозы’, хорошо известный на российском рынке). Впрочем, станция была нужна не только заводу: в поселке, расположенном рядом с МГЭС, электричества до последнего времени не было.

Особенность станции в том, что на ней установлены гидроагрегаты с ковшовыми турбинами. Такие гидроагрегаты не выпускались в России около 30 лет. Они рассчитаны на большие напоры сравнительно небольшого количества воды, их целесообразно устанавливать в высокогорных районах: республиках Закавказья, Кабардино-Балкарии, Дагестане, Чечне, Карачаево-Черкесии. На МГЭС ‘Чала’ (напор в двести метров) для обеспечения мощности 500 кВт достаточно 300 литров воды.

При производстве ковшей турбин станции использовалась технология точного литья. Изготовлены они были на заводе им. Климова (г. Санкт-Петербург). Турбинные агрегаты были изготовлены в турбинном комплексе ЗАО ‘Киров-Энергомаш’ Кировского завода.

Руководил работами на станции - монтажом и пуском в эксплуатацию гидроагрегатов - М. В. Добрер, один из лучших специалистов Ленин-градского Металлического завода.

В ближайшее время фирма ‘Инсет’ планирует установить еще три такие же станции в Кабардино-Балкарии. На одну из них - ‘Адыл-су’, мощностью 1200 кВт уже поставлено оборудование.

Павел Пресняков

А давайте-ка сегодня про малые ГЭС поговорим. Про те самые, которых уже почти не осталось в эксплуатации, про те, чьи остовы и полуразрушенные плотины встречаются в самых разных уголках нашей страны.

Каким образом они появились, для чего возводились и почему затем в массе своей канули в Лету, оставив после себя лишь живописные руины и немногочисленные черно-белые фото?

Чтобы разобраться нам придётся обратиться к истории развития электроэнергетики в России, и начнём мы с самого начала, когда зажглись первые лампочки царской России.

В конце 70-х — начале 80-х годов XIX века, с изобретением генераторов постоянного тока и электроламп, появились и ранние проекты точечной электрификации (а точнее освещения и иллюминации).

Как и любой инновационный проект, электричество стоило немалых денег, и появлялось прежде всего там, где эти деньги готовы были платить. Неудивительно, что первые лампы осветили Невский проспект, Литейный мост, Кремль, Зимний дворец и Эрмитаж, а вместе с ними неподалёку появились мини-электростанции, состоящие из нескольких котлов, пар которых вращал турбины динамо-машин.

А. П. Боголюбов. Иллюминация Кремля [по случаю коронации Александра III]. 1883 г.

К концу 80-х маломощные генераторы появляются на производствах, в преуспевающих магазинах, в домах обеспеченных жителей. В это же время открываются первые районные электростанции (Георгиевская, Городская, Университетская, Дворцовая), обслуживающие конкретные объекты или потребителей в радиусе километра. Электричество всё так же используется лишь для освещения, по проводам течёт постоянный ток, и ни о какой единой энергосистеме не идёт и речи.

Слева. Георгиевская электростанция на Б. Дмитровке. Ныне Новый Манеж. 1903 г. Фото http://pastvu.com/
Справа. Электростанция Жигулёвского пивоваренного завода в Самаре. 1898 г. Фото http://историческая-самара.рф/

Новый толчок распространению электричества дали появившиеся в 90-х годах XIX века первые массовые генераторы переменного тока. Их использование позволило снизить потери на передачу, а соответственно увеличить максимальную протяженность линии и вместе с тем нарастить мощность станций.

Также расширилась сфера применения электричества, промышленное оборудование стало массово переходить на электротягу, в ряде городов открылись трамвайные линии. До конца XIX века в Москве и Петербурге были запущены несколько электростанций переменного тока, мощность которых уже измерялась мегаваттами.

Слева. Прокладка кабеля на Софийской набережной. Фото http://so-l.ru/
Сверху. Трамвай на улице Москвы. Фото http://so-l.ru/
Снизу. Машинный зал электростанции на Раушской набережной. 1911 г. Фото http://pastvu.com/

В это же время появляются первые ГЭС. Зыряновский рудник на Алтае для собственных нужд запускает станцию мощностью 150 кВт, Охтинский пороховой завод под Петербургом строит ГЭС на 300 кВт. Гидростанция «Белый уголь», между Кисловодском и Ессентуками, несёт электрический свет на улицы прилегающих курортов, приводит в движение трамваи и питает насосы, поднимающие минеральные воды.

Слева. ГЭС на реке Подкумок. Открытка начала XX века.
Справа. ГЭС Охтинского порохового завода. 1912 г. Фото http://pastvu.com/

В течение первого десятилетия XX века процесс строительства городских электростанций охватывает регионы Российской империи, появляются электростанции в Курске, Ярославле, Чите, Владивостоке и многих других крупных городах. Растут мощности, модернизируются существующие электростанции, совершенствуются механизмы передачи электроэнергии, электричество находит всё новые и новые области применения.

К 1917 г. мощность всех 78 ГЭС Российской империи составляла около 17 МВт, из них две (Алавердинская и Гиндукушская) имели мощность свыше 1 МВт. Кроме того, в стране насчитывалось до двух тысяч мелких гидротурбинных установок, работавших на механические приводы, и около 40 тысяч мельниц с водяными колесами мощностью в среднем 10 л.с.

Слева. Генераторы Гиндукушской ГЭС — самой мощной гидростанции Российской империи. Ныне находится на территории Туркменистана. 1911 г. Фото С. М. Прокудина-Горского.
Справа. Водяное колесо небольшой мельницы в Абхазии

Но если ты был жителем села, то в твоей избе по-прежнему горела свеча и лучина, в хозяйстве господствовал ручной привод, а из средств механизации была разве что лошадь.

Третий этап развития электроэнергетики начался уже при Советской власти. Сразу после революции был разработан и принят план ГОЭЛРО (ГОсударственная ЭЛектрификация РОссии), по которому растущие потребности в электричестве со стороны набирающей обороты советской промышленности, должны были опережающими темпами обеспечиваться генерирующими мощностями.

Плакат А. Лемещенко «План ГОЭЛРО» (из триптиха). 1967 г. Фото RIA Novosti archive, image #763450 / RIA Novosti / CC-BY-SA 3.0, CC BY-SA 3.0 , https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17824956

Тут важно отметить, что процесс этот был вполне естественным, а не так, что при царе страна была с сохой, а потом пришёл Ленин, распедалил ситуацию и начал строить станции направо-налево. Авторами плана в большинстве были те же специалисты, которые при царе занимали соответствующие должности.

Так или иначе, план ГОЭЛРО предусматривал строительство в течение 10-15 лет 30 крупных электрических станций (20 ТЭС и 10 ГЭС) в различных районах страны от Урала до Кавказа, призванных создать энергетический каркас для обеспечения электричеством строящихся предприятий.

Волховская ГЭС — одна из первых ГЭС, построенных по плану ГОЭЛРО. Фото Wilson44691 - собственная работа , Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7055784

Но решать вопросы крестьянина со свечой и лучиной, осуществлять электрификацию сельского хозяйства предполагалось «на основе широкого использования местных энергоресурсов, в частности гидроэнергии малых рек». Так бы сказал Первый канал, если бы он существовал в те времена.

А на житейском уровне всё было куда проще – до 1954 года действовали серьёзные ограничения по подключению сельскохозяйственных районов к государственным энергосистемам, и в большинстве случаев единственным источником электроэнергии на селе были те самые малые ГЭС.

Как правило станции строились по достаточно слабым проектам, зачастую не учитывающим реальные гидрологические условия. Материалы были преимущественно местными, в ход шло буквально всё, что попадалось под руку, зачастую в ущерб качеству. Оборудование не было стандартизировано и изготавливалось местными заводами, и турбина, к примеру, вполне могла иметь деревянные лопатки.

ГЭС на реке Протве в с. Борисово Можайского района. Построена в 30-е годы в рамках плана ГОЭЛРО. Фото http://pastvu.com/

Немудрено, что после снятия запрета в 1954-м году большинство малых ГЭС были выведены из эксплуатации и разобраны, а построено их было немало. За период до 1941 года было запущено около 950 малых ГЭС средней мощностью 35 кВт, а в послевоенное время их количество увеличилось до максимальных 6614 в 1952-м году. Средняя мощность при этом возросла незначительно, до уровня 40 кВт.

Фото maxzhukov

Типичный пример станции довоенной волны – первая малая ГЭС Липецкой области, построенная в 1923 году у села Курапово. На станции работала всего лишь одна водяная турбина системы «Френсис», с лопатками из морёного дуба, спаренная с генератором мощностью 76 кВт. Станция проработала до 1953 года, когда неподалёку была открыта Троекуровская ГЭС мощностью 500 к Вт. Остатки плотины и коробку «машинного зала» и сейчас можно увидеть на Красивой Мече.

В начале 50-х годов XX века был взят курс на строительство более крупных, а соответственно более экономичных и надёжных, станций. Те, что побольше назывались сельскими ГЭС (мощность в среднем 440 кВт), те, что поменьше – межколхозными (около 300 кВт). Только в 1951-1953 гг. в разных районах страны было построено по сотне с небольшим тех и других. Одной из них была упомянутая выше Троекуровская ГЭС.

Временные решения сменил научный подход. Гидроэнергоресурсы местного значения и возможность их освоения были посчитаны, для проектирования малых станций была создана отдельная структура «Гипросельэлектро», а всесоюзным институтом гидромашин была разработана номенклатура турбин для небольших ГЭС, производством которой и занялись Щелковский завод и «Уралгидромаш» (г. Сысерть).

Но централизованное энергоснабжение не стояло на месте, к 70-м годам были введены в строй десятки крупных гидро- и теплоэлектростанций, дефицит энергоресурсов остался в прошлом, и строительство малых ГЭС в стране практически остановилось. Большая часть действующих малых ГЭС была заброшена из-за относительно высокой себестоимости вырабатываемой электроэнергии и трудностей эксплуатации. Именно их остовы мы и видим в глубинке по берегам небольших рек.

Фото victorborisov

Есть ли перспективы у малых ГЭС?

Безусловно есть, и прежде всего в труднодоступных районах, богатых энергоресурсами. Например, РусГидро в течение последних 20 лет ввело в эксплуатацию и реконструировало несколько десятков МГЭС, прежде всего этот каскады Дагестанских и Кабардино-Балкарских МГЭС.

Если же речь идёт о Центральном районе, то здесь всё несколько сложнее.

Минимальная мощность, начиная с которой имеет смысд эксплуатировать МГЭС, учитывая повсеместную доступность единой энергосистемы, находится на уровне 1 МВт. Чтобы обеспечить такие показатели, необходим напор, создать который на среднестатистической реке Центрального региона можно только возведением плотины и созданием водохранилища, что не всегда возможно.

Станции меньшей мощности, без большого водохранилища, нуждаются либо во включении в ЕЭС, либо в строительстве тепловой станции по соседству. Это связано с тем, что в определённые периоды вырабатываемая МГЭС мощность может падать до нуля. Например, в середине лета может критически сокращаться расход воды, а во время весеннего паводка уменьшаться до нуля напор за счёт подъема уровня воды в нижнем бьефе.

Есть, правда, и другой путь, по которому пошли на Ярополецкой ГЭС. Станцию восстановили в качестве памятника архитектуры и культурного наследия, при этом она не является действующей, а просто радует глаз.

Так или иначе, я за то, чтобы малые ГЭС жили. Чёрт бы с ним, с электричеством, ведь ГЭС – это просто красиво:-)

Фото muph

Регулярный рост цен на электроэнергию заставляет многих задумываться над вопросом альтернативных источников получения электричества. Одно из лучших решений в данном случае - гидроэлектростанция. Поиски решения данного вопроса касаются не только масштабов страны. Все чаще можно увидеть мини-гидроэлектростанции для дома (дачи). Затраты в таком случае будут только на строительство и техническое обслуживание. Минус подобного сооружения в том, что его возведение возможно только в определенных условиях. Необходимо наличие водяного потока. К тому же возведение данной конструкции у себя во дворе требует разрешения местных органов власти.

Схема мини-гидроэлектростанции

Русловые, характерные для равнин. Они устанавливаются на реках с несильным потоком.
Стационарные используют энергию водных рек с быстрым потоком воды.
ГЭС, устанавливающиеся в местах перепада водного потока. Встречаются чаще всего в промышленных организациях.
Мобильные, которые строятся с применением армированного рукава.

Для строительства ГЭС достаточно даже небольшого ручья, протекающего по участку. Владельцы домов с центральным водоснабжением не должны отчаиваться.

Одной из американских компаний разработана станция, которую можно встраивать в водоснабжающую систему дома. В водопровод встраивается турбина маленьких размеров, которая приходит в движение за счет потока воды, двигающегося самотеком. Это снижает скорость потока воды, но снижает себестоимость электроэнергии. К тому же данная установка полностью безопасна.

Устраиваются даже мини-гидроэлектростанции в канализационной трубе. Но их строительство требует создания определенных условий. Вода по трубе должна стекать естественным образом за счет уклона. Второе требование - диаметр трубы должен быть подходящим для устройства оборудования. А это невозможно сделать в отдельно стоящем доме.

Классификация мини-ГЭС

Мини-гидроэлектростанции (дома, в которых они используются, в большинстве относятся к частному сектору) чаще всего относятся к одному из следующих типов, которые различаются принципом работы:

Водяное колесо - традиционный тип, который наиболее прост в исполнении.
Пропеллер. Используют в тех случаях, когда река имеет русло шириной более десяти метров.
Гирлянда устанавливается на реках с несильным потоком. Для усиления скорости течения воды используют дополнительные сооружения.
Ротор Дарье устанавливается обычно на промышленных предприятиях.

Распространенность этих вариантов обусловлена тем, что они не требуют строительства плотины.

Водяное колесо

Это классический вид ГЭС, который наиболее популярен для частного сектора. Мини-гидроэлектростанции данного типа представляют собой большое колесо, способное вращаться. Его лопасти опускаются в воду. Вся остальная часть конструкции находится над руслом, заставляя двигаться весь механизм. Мощность передается через гидропривод генератору, вырабатывающему ток.

Пропеллерная станция

На раме в вертикальном положении располагается ротор и подводный ветряк, опускаемый под воду. Ветряк имеет лопасти, которые вращаются под воздействием потока воды. Лучшее сопротивление оказывают лопасти шириной два сантиметра (при быстром потоке, скорость которого, тем не менее, не превышает двух метров в секунду).

В данном случае лопасти приводятся в движение за счет возникающей а не за счет давления воды. Причем направление движения лопастей перпендикулярно направлению течения потока. Этот процесс похож на работу ветровых электростанций, только работает под водой.

Гирляндная ГЭС

Данного типа мини-гидроэлектростанции представляют собой трос, натянутый над руслом и закрепленный в опорном подшипнике. На нем в виде гирлянды навешены и жестко закреплены турбины небольшого размера и веса (гидровингроторы). Они состоят из двух полуцилиндров. За счет совмещения осей при опускании в воду в них создается крутящий момент. Это приводит к тому, что трос изгибается, натягивается и начинает вращаться. В данной ситуации трос можно сравнивать с валом, который служит для передачи мощности. Один из концов троса соединен с редуктором. На него и передается мощность от вращения троса и гидровингроторов.

Повысить мощность станции поможет наличие нескольких «гирлянд». Их можно соединить между собой. Даже это не сильно повышает КПД данной ГЭС. Это один из минусов подобного сооружения.

Еще один недостаток данного вида - создаваемая им опасность для окружающих. Подобного рода станции допустимо использовать только в безлюдных местах. Наличие предупредительных знаков обязательно.

Ротор Дарье

Мини-гидроэлектростанция для частного дома данного вида названа так в честь ее разработчика - Жоржа Дарье. Запатентована данная конструкция была еще в 1931 году. Представляет собой ротор, на котором находятся лопасти. Для каждой из лопастей в индивидуальном порядке подбираются нужные параметры. Ротор опускается под воду в вертикальном положении. Лопасти вращаются за счет перепада давления, возникающего под действием протекания по их поверхности воды. Этот процесс подобен подъемной силе, заставляющей самолеты взлетать.

Данный вид ГЭС имеет хороший показатель КПД. Втрое преимущество - направление потока не имеет значение.

Из недостатков данного можно выделить сложную конструкцию и непростой монтаж.

Преимущества мини-ГЭС

Независимо от вида конструкции мини-гидроэлектростанции обладают рядом преимуществ:

Экологически безопасны, не вырабатывают вредных для атмосферы веществ.
Процесс получения электричества проходит без образования шума.
Вода остается чистой.
Электричество вырабатывается постоянно, вне зависимости от времени суток или погодных условий.
Для обустройства станции достаточно даже небольшого ручья.
Излишек электроэнергии можно продать соседям.
Не нужно много разрешающей документации.

Мини-гидроэлектростанция своими руками

Построить для получения электроэнергии можно самостоятельно. Для частного дома достаточно двадцати киловатт в сутки. С таким значением справится даже мини-ГЭС, собранная своими руками. Но при этом следует помнить, что данный процесс характеризуется рядом особенностей:

Точные расчеты провести достаточно трудно.
Размеры, толщина элементов выбирается «на глаз», только опытным путем.
Самодельные сооружения не имеют защитных элементов, что приводит к частым поломкам и связанным с этим затратам.

Поэтому если нет опыта и определенных знаний в данной сфере, лучше отказаться от идеи подобного рода. Дешевле может оказаться приобретение уже готовой станции.

Если все же решаетесь делать все своими руками, то начинать необходимо с измерения скорости потока воды в реке. Ведь от этого зависит мощность, которую можно получить. Если скорость будет меньше одного метра в секунду, то строительство мини-гидроэлектростанции в данном месте не оправдает себя.

Еще один этап, который нельзя опускать - это расчеты. Необходимо тщательно рассчитать размер затрат, которые уйдут на строительство станции. В результате может оказаться, что гидроэлектростанция - не лучший вариант. Тогда стоит обратить внимание на другие виды альтернативной электроэнергии.

Мини-гидроэлектростанция может стать оптимальным решением в вопросе экономии затрат на электроэнергию. Для ее строительства необходимо наличие реки недалеко от дома. В зависимости от желаемых характеристик можно подобрать подходящий вариант ГЭС. При правильном подходе выполнить подобное сооружение можно даже своими руками.

Малая гидроэнергетика

Гидроэнергетика – область наиболее развитой на сегодня энергетики на возобновляемых ресурсах, использующая энергию падающей воды, волн и приливов.

Основные направления развития гидроэнергетики: восстановление старых МГЭС путем капитального ремонта и частичной замены оборудования; сооружение новых МГЭС на водохранилищах неэнергетического (комплексного) назначения, на промышленных водосбросах; строительство бесплотинных ГЭС, в которых используется кинетическая энергия движущейся массы воды (течение). Такие станции, мощностью до 10...25 кВт, не требуют больших капитальных затрат на строительство, экологичны и удобны в использовании при энергоснабжении потребителей небольшой мощности, расположенных на берегах рек, при наличии перепадов высот на небольших ручьях (рукавные ГЭС) и др. При наличии водных потоков перспективно также применение водных таранов для целей водоснабжения, а также использование водяных колес и турбин небольшой мощности для привода компрессоров тепловых насосов.

Описание работы гидроэлектростанций

Источником гидроэнергии является преобразованная энергия Солнца в виде запасенной потенциальной энергии воды, которая затем преобразуется в механическую работу и электроэнергию.

Действительно под воздействием солнечного излучения вода испаряется с поверхности озер, рек, морей и океанов. Пар поднимается в верхние слои атмосферы, образуя облака; затем он, конденсируясь, выпадает в виде дождя, пополняя запасы воды в водоемах.

Преобразование потенциальной энергии воды в электрическую происходит на гидроэлектростанции. Поддержание постоянного напора осуществляется с помощью платины, которая образует водохранилище, Служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость оборудования ГЭС. Вместе с тем удельная стоимость электроэнергии, генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с себестоимостью энергии, производимой другими источниками. Как правило, срок окупаемости малых ГЭС не превышает 10 лет.

Рис.1. Машинная станция с гидротурбиной

Для преобразования энергии воды в механическую работу используются гидротурбины (рис.1).

Различают активные и реактивные турбины.

В активной турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины, - водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД реальных турбин колеблется от 50 до 90 %. В гидротурбинах малой мощности КПД ниже.

Максимальное значение КПД, равно 100% . Оно может быть достигнуто, если струя после взаимодействия с лопатками будет двигаться вертикально вниз только под действием силы тяжести.

КПД активной гидротурбины может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй.

В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Френсиса вращение колеса осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90°. Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины.

Имеются и другие конструктивные решения реактивных гидротурбин, например пропеллерная турбина Каплана. Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за перепада давления.

ГЭС бывают самых различных мощностей – от 3 кВт до 12 ГВт. Малыми ГЭС (именуемыми также микро-ГЭС и сельские ГЭС) называются ГЭС, установленной мощностью менее 500 кВт. Сооружение их осуществляется обычно в качестве составной части комплекса, предусматривающего также развитие сельскохозяйственного производства, водоснабжение и регулирование стока.

Гидроэлектростанции и жизненная среда

Говоря о гидроэлектростанциях, нельзя не отметить, что никакие другие отдельно взятые инженерные сооружения не оказывают такого сильного воздействия на природу, как крупные водохранилища.

Водохранилище снабжает водой не только людей, но и весь растительный и животный мир, который активно реагирует на новые благоприятные условия. Это способствует появлению новых биологических сообществ, развитию которых прежде препятствовал недостаток воды (что особенно наглядно проявляется у небольших прудов, устраиваемых для развития рыбного хозяйства).

Однако при объективной оценке изменения экологических условий нельзя не учитывать некоторых отрицательных биохимических и лимнологических факторов.

Как известно, в стоячей воде водохранилищ кислородный обмен происходит гораздо медленнее, чем в водотоках (реках и ручьях). Попадая в такую воду, химические примеси могут создать в ней столь неблагоприятную стратиграфию (т.е. образовать устойчивые слои различного состава), что биологическая жизнь станет невозможной, погибнут рыбы и многие другие водные организмы. А при спуске такой отравленной воды в реку может наступить гибель рыбы во всем водотоке.

Опасны для водохранилища и водоросли, которые изменяют химический состав воды. Особенно вредны и экологически неблагоприятны процессы гниения в водоемах промышленных районов.

В целом можно считать, что водохранилища оказывают экологически благоприятное влияние на окружающую среду, а отрицательные факторы обусловлены в первую очередь сбросом промышленных отходов и (в меньшей степени) безответственным поведением весьма большого числа туристов и отдыхающих. Что же касается непосредственно технологического процесса выработки электроэнергии на гидростанциях, то с точки зрения экологии он совершенно безопасен. Производство работ по возведению гидроэнергетических объектов следует проектировать с минимальным ущербом природе.

При разработке стройгенпланов необходимо рационально выбирать карьеры, месторасположение дорог и т.п. К моменту завершения строительства должны быть проведены необходимые работы по рекультивации нарушения земель и озеленении территории.

По водохранилищу наиболее эффективным природоохранным мероприятием является инженерная защита. Например, строительство дамб обвалования уменьшает площадь затопления и сохраняет для хозяйственного использования земли, месторождения полезных ископаемых, уменьшает площадь мелководий и улучшает санитарные условия водохранилища, сохраняет природные естественные комплексы.

Если постройка дамб экономически не оправдана, то мелководья могут быть использованы для разведения птиц и для других хозяйственных нужд. При поддержании необходимых уровней воды мелководья могут быть использованы для рыбного хозяйства, как нерестилище и кормовая база.

Для предотвращения или уменьшения переработки берегов производят берегоукрепления. Предприятия, железные дороги, жилые и коммунально-бытовые постройки, памятники старины выносятся из зоны затопления.

Для обеспечения высокого качества воды необходима санитарная очистка ложа водохранилища до его затопления водой. С этой целью производят агротехнические мероприятия для уменьшения загрязненного поверхностного стока и строятся очистные сооружения.

Строительство больших плотин с электростанциями, как правило, способствует сохранению и обогащению природы. Искусственные озера позволяют комплексно использовать водные ресурсы. Вода не только приводит в действие турбины, но и орошает обширные прилегающие земли и тем самым обеспечивает развитие сельского хозяйства. Водохранилища смягчают резкие контрасты погоды и климата, помогают бороться с засухой, на их берегах отдыхают тысячи людей.

Нетрадиционная энергетика – именно на ней в настоящее время сосредоточено пристальное внимание всего мира. И это довольно легко объяснить. Приливы, отливы, морской прибой, течения малых и больших рек, магнитное поле Земли и наконец, ветер — есть неисчерпаемые источники энергии, причем дешевой и возобновляемой энергии и было бы большой ошибкой не воспользоваться таким подарком матушки природы. Еще одним плюсом такой энергетики — это возможность обеспечить дешевой электроэнергией труднодоступные районы, ну скажем высокогорные районы или глухие таежные деревушки, другими словами те населенные пункты, куда тянуть линию электропередач нецелесообразно.

А вы знаете, что 2/3 территории России не подключены к энергетической системе? Существуют даже населенные пункты, где электричества не было никогда, и это не обязательно поселки Крайнего Севера или бескрайней Сибири. Электроэнергия, например, не подведена к некоторым населенным пунктам Урала, а ведь эти районы никак нельзя назвать неблагополучными в отношении энергетики. А между тем электрификация труднодоступных населенных пунктов не такая уж и сложная проблема, ведь трудно найти поселение, где бы не было речушки или хотя бы маленького ручейка — вот вам и выход из положения. Именно на таком ручейке, не говоря уже о речке и можно установить мини ГЭС.

Так что же это такое мини и малые ГЭС? Это маленькие станции по производству электроэнергии при помощи использования течения имеющихся на месте водных ресурсов. Маленькими же считаются ГЭС, мощность которых менее 3 тысяч киловатт. И относятся они к малой энергетике. Такая энергетика стала стремительно развиваться в последнее десятилетие. Что в свою очередь связано со стремлением нанести как можно меньший экологический вред природе, которого не избежать при строительстве крупных ГЭС. Ведь большие водохранилища изменяют ландшафт, уничтожают естественные нерестилища, перекрывают миграционные пути для рыбы и что самое главное через какое-то время они обязательно превратятся в болото. Развитие малой энергетики так же связано с обеспечением энергией труднодоступных и изолированных мест, а также с быстрой окупаемостью (в течение пяти лет) капиталовложений.

Обычно МГЭС (малая ГЭС) состоит из генератора, турбины и системы управления. Делятся МГЭС и по типу использования, это в первую очередь приплотинные станции с водохранилищами, занимающими не большую площадь. Существуют станции, которые работают без сооружения плотины, а просто за счет свободного течения реки. Есть станции, Для работы которых используются уже существующие перепады воды, то ли природного, то ли искусственного происхождения. Природные перепады часто встречаются в горной местности, искусственные – это обычные объекты водного хозяйства от сооружений, приспособленных для судоходства, до комплексов очистки воды включая питьевые водоводы и даже канализационные стоки.

Малая гидроэнергетика по своим технико-экономическим возможностям превышает такие источники малой энергетики как станции использующие энергию ветра, солнечную энергии и биоэнергетические станции вместе взятые. В настоящее время они могут производить примерно 60 миллиардов кВт/ч за год, но, к сожалению, этот потенциал используется крайне слабо, всего на 1%. До конца 60-х годов в эксплуатации находились тысячи МГЭС, сегодня их насчитывается несколько сотен. Все это последствия перекосов советского государства связанных с ценовой политикой и не только.

Но вернемся к вопросу экологических последствий при строительстве МГЭС. Основным достоинством малых гидроэлектростанций — это полная безопасность с экологической точки зрения. Свойства воды как химические, так и физические при строительстве и эксплуатации этих объектов не изменяются. Водоемы можно использовать как водохранилища для питьевой воды и для разведения рыбы. Но основным достоинством есть, то, что для МГЭС совсем не обязательно сооружать крупные водохранилища наносящих огромный материальный ущерб и затопление больших территорий.
Кроме этого такие станции обладают еще рядом достоинств: это и простота конструкции, и возможность полной механизации, при их эксплуатации присутствие человека совсем не обязательно. Вырабатываемая электроэнергия соответствует общепринятым стандартам, как по напряжению, так и по частоте. Автономию такой станции тоже можно считать большим плюсом. Большой у МГЭС и рабочий ресурс — 40 лет и более.

Возможно, будет полезно почитать: