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 всё 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 отчёту, опубликованному Минпромэнерго, к 2010 году выработают свой ресурс около 50 % ТЭС и ГЭС, к 2020 году 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. долл. США. 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. США.
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), миниэлектростанциями (от 100 кВт до 5 МВт). Децентрализованные формы обеспечения энергией поселков и добывающих компаний – реальная перспектива в условиях назревшего кризиса. Помимо всего прочего, автономная энергетика может быть гарантом защиты от перебоев в центральной электросети, в особенности в периоды пиковых нагрузок.
Определённая работа в направлении развития малой энергетики ведётся. Так, на 2001 году 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 м2;
• 3000 тепловых насосов мощностью от 10 кВт до 8 МВт.
Но эти цифры, с учётом 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 – всё 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 землёй, мачты многокилометровых линий электропередач. Эксплуатация подобных сетей стоит дорого. В то время как автономная электростанция малой мощности способна без труда снабдить электричеством целый посёлок либо микрорайон. К сожалению, наших чиновников, в отличие от западных коллег, вопрос экологии волнует в меньшей степени.
Европейские страны и США с 2002 года не рассматривают проекты крупных топливных электростанций, постепенно переходя на экологические источники энергии. Согласно прогнозам Мирового Энергетического Конгресса к 2020 году 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 году Европа планирует осуществлять теплоснабжение 70 % (!) своего жилого фонда за счёт 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 ещё 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 ведётся рассмотрение новой энергетической стратегии развития России вплоть до 2030 года (доклад д.т.н., проф. Бушуева В.В. Института энергетической стратегии Минэнерго России в сентябре 2008 года «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 году собирается ликвидировать все электростанции, расположенные на суше. Существуют ещё оптимистические прогнозы экспертов, которые утверждают, что к 2050 году весь мир перейдёт к бестопливной энергетике.
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 счёт локальных региональных энергосетей, либо за счёт отдельных генерирующих мощностей, как правило, дизельных электрогенераторов. Поэтому не удивительно, что цена 1 кВт/ч в некоторых удалённых районах достигает 4 долл. США. До сих пор у нас можно встретить населённые пункты, в которых электричества не было никогда, причем не всегда на Крайнем Севере или в Сибири. Электрификация не затронула, например, некоторые уральские посёлки в местах, которые вряд ли назовёшь неблагополучными с точки зрения энергетики. Между тем электрификация отдалённых и труднодоступных селений – дело не такое уж и сложное. Так, в любом уголке России найдётся речка или ручей, где можно установить микро-ГЭС.
Материал данного обзора касается перспектив использования в энергетике именно воды.
Малые ГЭС и микро-ГЭС используют энергию водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт). Микро-ГЭС (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 (Архангельск, 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 определён 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 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. Водоёмы 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, причём 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 годах, в связи с сокращением объёмов крупного гидроэнергетического строительства в России, частично переориентировали своё 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 микро-ГЭС на напоры от 1 до 250 м, а также нестандартное гидромеханическое, подъёмное оборудование, напорные трубопроводы, предтурбинные затворы, трансформаторные подстанции, распределительные устройства и другие компоненты, необходимые для строительства объектов малой энергетики. Для микро-ГЭС с использованием статического напора применяются гидроагрегаты с радиально-осевыми, пропеллерными, ковшовыми, наклонно- и поперечно-струйными, фронтальными гидротурбинами упрощённой 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 даёт нам самый неприхотливый способ добычи энергии. К сожалению, мы почти не используем его. 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 отдалённых 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 городах 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 году 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, ведётся проектирование и строительство ещё трёх малых ГЭС, в том числе в Кош-Агачском районе (микро-ГЭС на 500 кВт), Улаганском районе (микро-ГЭС 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 ещё по трём 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 микро-ГЭС.
Микро-ГЭС – надёжные, экологически чистые, компактные, быстро окупаемые источники электроэнергии для деревень, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдалённых, горных и труднодоступных районах, где нет линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дольше, и дороже, чем приобрести и установить микро-ГЭС.
Гидроагрегат микро-ГЭС (МГЭС) состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления. По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разделить на следующие категории: новые русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами; станции, использующие скоростную энергию свободного течения рек; станции, использующие существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства – от судоходных сооружений до водоочистных комплексов (уже существует опыт использования питьевых водоводов, а также промышленных и канализационных стоков) и т. п. Ниже приводятся некоторые опубликованные перспективные технические решения в этой области.
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.
Рис. 2. Водоворотная микро-ГЭС
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 кВт·ч электричества, проданных изобретателем станции энергокомпании «EnergieVersorger Niederösterreichs», 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 кВт/ч. 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 ºС) 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. США, 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.
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 турбинно-тросовым гидроприводом, который вращается от потока течения реки. На рис. 3 упрощённо показана конструкция такой мини-ГЭС (автор Б. С. Блинов, 70-е годы прошлого века). В качестве гидроколёс (роторов), в тросовом гидроприводе мини-ГЭС можно использовать несколько «крыльчаток» (пропеллеров), изготовленных из тонкого металлического листа, диаметром около полуметра, по типу детской игрушки – пропеллера из квадратного листа бумаги. В качестве гибкого вала целесообразно использовать обычный стальной трос диаметром 10–15 мм.
Ориентировочные расчёты показывают, что от такой тросовой ГЭС, можно получить с одного гидроколеса до 1,5–2,0 кВт, при течении реки около 2,5 м/с.
Рис. 3. Вариант тросовой мини-ГЭС:
1 – подшипник; 2 – опора; 3 – металлический трос; 4 – гидроколесо (турбина);
5 – электрогенератор; 6 – уровень верхнего течения реки; 7 – русло реки
Если опоры 2 с подшипниками 1 и электрогенератором 5 установить на дно реки, и подшипники с генератором поднять выше её уровня, а всё сооружение разместить по оси течения, то результат будет тот же. Такую схему целесообразно применять для очень узких речек, но с глубиной более 0,5 м. Роторы гирляндной ГЭС, как правило, располагаются в ядре потока (на 0,2 м глубины от поверхности летом и 0,5 м глубины от поверхности льда зимой). Глубина реки в месте установки гирляндной ГЭС не превышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м вполне возможно использовать роторы, расположенные в два ряда.
Рис. 4. Тросовая мини-ГЭС с якорным креплением
Другой вариант тросового гидропривода (рис. 4) содержит стальной трос 1, заякоренный на дне реки; жёстко закреплённую на нём гидротурбину 3, и механическую опору 4 для приёма вращающегося троса 1 на берегу. Механический передаточный узел содержит узел вращения 14 троса 1, совмещённый редуктор 7, 8, и вал вращения 13. Приведённый вариант установки фактически служит вихревым гидротеплогенератором, состоящим из ёмкости с водою 7 и водяного кавитатора 9, выполненного например, в виде кавитатора Кладова, представляющего собою два кавитационных диска вращающихся в противоположные стороны.
Отметим также, что такая тросовая гидросиловая установка может работать в реке даже зимой, поскольку вращающийся трос не обрастает льдом. Для получения электроэнергии таким устройством мини-ГЭС можно снять с вращающегося троса момент вращения и направить его на вращение, к примеру, группы электрических генераторов от выброшенных авто, тракторов и прочей электротехники.
Тросовые мини-ГЭС в промышленном варианте нашли применении в США. Калифорнийская компания «Bourne Energy» (по материалам «Gizmag», информация от 12.02.2008 г.) разработала серию генераторов, которые могут преобразить малую гидроэнергетику.
Аппараты «RiverStar», «TidalStar» и «OceanStar» призваны стать основой сравнительно недорогих и легко масштабируемых гидроэлектростанций, работающих на реках («RiverStar»), в проливах («TidalStar») и в открытом море («OceanStar»). Эти установки обладают рядом любопытных особенностей. «RiverStar» (рис. 5) представляет собой капсулированный модуль с поплавком для удержания ротора на заданной глубине, плавником-стабилизатором, медленно вращающейся крыльчаткой (не наносящей повреждений рыбам), генератором и преобразователем напряжения. Несколько таких капсул, по замыслу «Bourne Energy», могут быть погружены в речной поток для создания мини-ГЭС.
Рис. 5. Гирлянда тросовых мини-ГЭС
Модули «RiverStar» не требуют для установки каких-либо работ на дне реки, якорей и плотин. Такая цепь держится генераторов на паре натянутых поперёк реки стальных тросов (идущих под водой). Вместе с этими тягами на берег идут кабели, по которым поступает ток. Мощность одной такой капсулы составляет 50 кВт (при скорости течения в 7,4 км/ч). 20 блоков «RiverStar» могут обеспечить электричеством 1 тыс. близлежащих домов.
Помимо простого гладкого корпуса капсулы могут иметь вид островков с травой и кустарником, песчаных отмелей или больших камней, что способствует украшению ландшафта.
Для свободнопоточных роторов гирляндных гидростанций эффективнее всего схема простого двухлопастного пропеллера. Ниже представлены мощности гидротурбин, вырабатываемые двухлопастным ротором, с омываемой площадью 1,0 м2, при КПД = 0,5 и при течении воды с различной скоростью.
Вырабатываемая мощность
двухлопастным ротором гирляндной гидростанции в водном потоке
| Скорость водного потока (V, м/c) |
1,0 |
2,0 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
10,0 |
| Мощность гидроэлектростанции (P, кВт) |
2,45 |
9,80 |
22,05 |
39,20 |
61,25 |
245,00 |
Как видно из представленной таблицы, перспективы использования свободнопоточных, пропеллерных роторов, в качестве гидротурбин весьма заманчивы. 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. Микро-ГЭС в потоке на понтонах.
Учёными Ташкентского государственного технического университета создана мобильная высокоэффективная микро-ГЭС, вырабатывающая электроэнергию с использованием гидравлической энергии потока. Для этого микро-ГЭС устанавливается на понтоны и преобразовывает гидравлическую энергию свободного потока воды в электрическую.
Конструкция, созданная на основе дешёвых 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 микро-ГЭС.
2.4. Бесплотинные ГЭС нового поколения (БГЭС).
Новые интересные решения гидропривода предлагают изобретатели. Один из них – житель Красноярска Николай Ленёв (патент № 2166664 от 10.05.01 г.).
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.
Рис. 6. Гидропривод Ленёва
«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 1 м/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!?»
Рис. 7. Фото работающей установки на р. Базаихе перед погрузкой
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.
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).
Рис. 8. Свободнопоточная мини-БГЭС Н. Ленёва:
1 – пластина; 2 – приводной ремень - цепь Галя; 3 – «звёздочка»;
4 – корпусные конструкции
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 задаём необходимый угол поворота между лопастью и направлением основного потока от 0° до 45°, добиваясь тем самым оптимального режима работы установки, либо останавливая её полностью. Таким образом, поток воздействует на лопасть фактически перпендикулярно, под 90° (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 принесёт 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.
Некоторые технические и иные характеристики предлагаемой установки:
|
• Размеры рабочего колеса («звёздочка»)
• Диаметр вала
• Объём воды, поступающий на установку
• Количество блоков лопастей
• Количество лопастей в блоке
• Размеры лопастей
• Площадь, пересекаемая потоком
• Мощность
• Стоимость выработанной за месяц энергии
(тариф региона с 1 января 2009 г.)
• Стоимость затрат на изготовление установки
в кустарных условиях
• Материалоёмкость
• Сроки изготовления (серийное производство)
• Сроки монтажа
|
500–350 мм
25–50 мм
1,200 × 0,700 × 1,250 = 1 м3
3
17
150 мм × 500 мм
3,375 м2
20 кВт
20 кВт × 24 часа × 30 дней × 2,06 руб. =
29660 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, что «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. То есть, 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. Причём 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.
Рис. 9. Вариант исполнения движителя Ленёва
___________________________
1. По материалам Международной научно-технической конференции «Изобретатель». МГУП, www.eprussia.ru
2. По материалам Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология». 2005. № 9 (29). Авторы А. Г. Солоницын, А. Т. Беккер, Дальневосточный государственный технический университет, НПО «Гидротекс».
3. По материалам www.krugosvet.ru
4. www.intersolarcentr.ru
© В.Д. Авилов, Л.Е. Серкова, 2009
Материалы сайта могут содержать информацию, не подлежащую просмотру
начало статьи