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 г.), 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.
 |
Рис. 10. Бесплотинная
гидроэлектростанция
с промежуточным
башенным резервуаром |
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-хкратной величины площади поперечного сечения питающего напорного водовода, причём 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-хкратной величины площади поперечного сечения питающих водоводов. Трубчатые водовыпуски в здании ГЭС обеспечивают подачу воды из промежуточного резервуара на гидротурбины, причём 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, причём 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 даётся 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 даже 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 (её гидротурбины) нужна вода и напор, то можно использовать силу взрывной волны в воде, сосредоточив и направив её 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, причём 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 расчётное 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 солёная (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 твёрдые 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 расчёты показали, что 50 г ВВ 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 далёкие посёлки и предприятия в аварийных ситуациях на центральных линиях электропередач [1].
2.7. Рукавные микро-ГЭС.
В 70-е годы прошлого века, благодаря изобретению Б. С. Блинова, даже предприятия сельскохозяйственного машиностроения серийно выпускали целый ряд рукавных микро-ГЭС от 1 до 100 кВт. Наряду с микро-ГЭС гирляндного типа Б. С. Блинов предложил рукавные конструкции. Если есть в наличии ручей с дебетом воды не менее 50 л/с, то мини-ГЭС можно получить, прокладывая трубу-шланг (рукав) с перепадом высот не менее 4,0–5,0 м. В качестве генераторов могут быть использованы обычные трёхфазные асинхронные электродвигатели, с реактивным самовозбуждением от параллельно подключённых к обмоткам конденсаторов, из расчёта 7 мкф на 100 Вт мощности одной обмотки. Результат замечательный, т. к. форма напряжения и тока получалась даже лучше, чем при использовании синхронных генераторов.
Если вход в «рукав» захватывает самую быструю часть течения реки, и вода по сужающемуся каналу подводится к турбинам, то при этом скорость потока, подаваемого на лопатки турбины, возрастает и оказывается гораздо большей, чем на напорной электростанции с её высокой плотиной, ведь кинетическая энергия потока является квадратичной функцией от его скорости. Если скорость потока в 2 раза больше, то количество вырабатываемой энергии увеличивается в 4 раза больше при одном и том же расходе воды.
Рис. 11. Схема рукавной микро-ГЭС:
1 – ручей; 2 – уровень запруды; 3 – плотина; 4 – труборукав; 5 – гидротурбина;
6 – электрогенератор
Рис. 12. Рукавная мини-ГЭС промышленного производства
Рис. 13. Рукавная микро-ГЭС
Для успешной и экономичной работы рукавных ГЭС достаточно иметь ручей (или иной водоток) с перепадом уровней в 1–2 м и расходом воды от 90 л в секунду. Они особенно эффективны в условиях холмистого рельефа. В комплект поставки производимых промышленностью вариантов входят энергоблок, устройство автоматического регулирования, устройство возбуждения и водозаборный агрегат. Монтаж станции весьма прост. Например, мини-ГЭС 7.5ПР мощностью 7,5 кВт можно смонтировать практически вручную: масса брутто (в упаковке) энергоблока не превышает 250 кг.
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 генерирования электроэнергии [2].
Основой НБ мини-ГЭС является барабанный модуль (БМ) 1, предназначенный для преобразования энергии свободного потока воды в водоёме в электрический ток (рис. 14). Корпус БМ с установленными в нём генераторами 2 и необходимой автоматикой, 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 водоёма в непосредственной близости от кромки воды либо с частичным подтоплением. К корпусу БМ присоединяются лопасти, далее к валам присоединяются опорные элементы и разъём 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 размещён 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 приёмнику. 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 надёжности с ориентировочным сроком службы не менее 100000 моточасов при средней наработке на отказ не менее 5000 ч (один сезон).
БМ работает в условиях произвольных уровней воды в водоёме (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 рёбра досок, имеющие соответствующие площадь опоры и конфигурацию, выполняют функции донных упоров, не допускающих посадку лопастей на дно водоёма.
Рис. 15. Мини-ГЭС барабанного типа на водоёме
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 лебёдками 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 приёмник 10 в его составе предназначен для преобразования тока в нужный промышленный стандарт. На берегах обустраиваются бетонные основания быков. Концы тросов укрепляются в лебёдках. Путём подтягивания и стравливания соответствующими лебёдками БМ позиционируется в нужную точку русла и остаётся 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 отдельное фундаментное основание, после чего на него устанавливается береговой модуль. БМ соединяется с ним необходимыми кабелями и выдаёт ток по кабелям 8 в электрический приёмник. В него также выдается управляющая информация по кабелям, либо по радиосвязи. Расположение берегового модуля и быков на берегу снижает вес плавучей части устройства, повышает надёжность БМ, облегчает обслуживание береговой части. Разъёмное соединение БМ и приёмника обеспечивает неразрушающее 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.
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. Всё 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 выдаёт 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 трёхфазный 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 расчётам 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 объём 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. Расчётный 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 году 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 году (рис. 16).
Рис. 16. Турбина Франсиса
Рис. 17. Турбина Пэлтона
Радиально-осевые турбины обычно отличаются лопатками большого диаметра, жёстко закреплёнными 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 бьёт в лопасть рабочего колеса, которая имеет форму двойного ковша. Конструкция ковшовой гидротурбины была предложена в 1878 году и запатентована в 1880 году американским инженером А. Пелтоном (рис. 17, 18).
Рис. 18. Ковшовая турбина на сборке ИНСЭТ
Ковшовая гидротурбина называется активной (свободноструйной), поскольку в соплах напор падает до нуля, и сила, действующая на лопасти, создаётся ударом струи. Осевая же и радиально-осевая турбины относятся к реактивным (напороструйным), т. к. поток продолжает ускоряться в проходах между лопастями рабочего колеса и крутящий момент частично создаётся реакцией, ответственной за ускорение [3].
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, оснащённых поперечно-струйными турбинами. Гидроагрегаты предназначены как для работы в промышленной сети, так и для работы на изолированного потребителя.
С 2000 года ООО «Ветрогидроэнергетика» – один из разработчиков и производителей оборудования для малых и мини-ГЭС России – проводит работы по созданию уникальной тяговой гидротурбины для малых ГЭС [4]. 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 гидротурбин вообще не работают. На данную гидротурбину получено 4 патента, как на изобретение. Работоспособность и расчётные характеристики подтверждены испытаниями в России на отводном канале Ириклинской ГРЭС. Имеющаяся конструкторско-технологическая документация освоена давним партнёром ООО «Ветрогидроэнергетика», 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 «Ветрогидроэнергетика» 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 года ООО «Ветрогидроэнергетика» заключило контракт с одной из испанских компаний, специализирующейся на разработке и эксплуатации экологически чистых альтернативных источников энергии.
Общая цель энергетической политики России, провозглашённой в конце 2008 года как Энергетическая стратегия страны до 2030 года (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. кВт·ч, 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 надёжно, в автоматическом режиме обеспечить электроэнергией малые объекты, объекты временного назначения, поселения и т. д., расположенные в прилегающих к нашим рекам районах.
___________________________
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