3.2 Технология мини гэс

Не так давно австрийским изобретателем Францем Цотлётерером была придумана новая технология для работы мини-ГЭС. Он назвал свой проект «Технический водоворот», а мини-ГЭС, работающая по данному принципу, – «Водоворотно-гравитационная станция».

Главной целью Цотлёрера было избежать экологически негативных последствий, которые появляются при сооружении плотинных мини-ГЭС [32].

Для этого он предложил часть потока возле берега отводить в специальный канал, который направляет воду к плотине. А сама плотина представляет собой бетонный цилиндр, к которому по касательной подходит вода, чтобы обрушиться в центре в самую глубину.

Таким образом, в середине цилиндра образуется водоворот, который и вращает турбину. Этот типаж мини-ГЭС является самым оптимальным для электростанций, мощность которых составляет до 150 кВт. Относительно хороший КПД появляется уже тогда, когда перепад высоты составляет всего лишь 0,8 метра.

Преимущества:

- при работе такой мини-ГЭС, скорость вращения турбины низкая, поэтому, для рыбы, попавшей в водоворот, лопасти колеса опасности не представляют. К тому же лопасти не рассекают воду, а поворачиваются синхронно с водоворотом;

- хорошая аэрация воды, которая способствует интенсивной работе микроорганизмов, очищающих ее естественным образом;

- образовывающийся водоворот воды, способствует хорошей терморегуляции в водоеме.

Площадь контакта воды и воздуха увеличивается, и летом это приводит к ее охлаждению. Зимой ГЭС будет работать подо льдом, и к центру водоворота тяготеет наиболее плотная вода. По краям цилиндра образовывается ледяная корка, которая выступает в роли утеплителя. Он, в свою очередь, не дает центру охладиться чересчур сильно.

Также, начиная с 2002 года, в Инженерной школе ДВФУ (ДВПИ им. В. Куйбышева, ДВГТУ) разработаны основы «Концепции локальных энергетических систем (ЛоЭС) для удалённых территорий с максимальным использованием ВИЭ». За основу принят исследовательский подход, исключающий контекстуальное деление источников энергии на возобновляемые и топливные – вариант технологической реализации не является определяющим для конечного пользователя. Потребителя интересуют конечные энергетические и экономические характеристики энергообъекта, расположенного в его районе, поселке. Таким образом, все дальнейшие разработки осуществлялись по принципу «от потребителя»: исследуется энергоизолированный объект (поселок, горнорудная разработка, и т.д.) в части характера потребления и наличия местных энергоресурсов. Далее принимается комплексное решение по мощности и технологическому составу будущей ЛоЭС. Данный подход имеет практическую реализацию.

При проведении элементов инженерно-геологических изысканий в окрестностях посёлков на о. Сахалин, на Курилах, в Приморском крае, нами был определён ряд перспективных гидростворов для установки мини-ГЭС. В частности, шесть из них – в Тернейском районе Приморского края. По ряду причин: расположение их на территории заповедников, заиленные аллювиальные устьевые участки основных рек (поселки часто расположены на побережье); малое потребление энергии; инвестиционные ограничения – строительство плотинных ГЭС с годовым регулированием стока и даже деривационных ГЭС представляется во многих случаях затруднительным. Поэтому внимание было обращено на горные притоки рек, имеющие большой уклон каменистых русел с индикаторной паводковой скоростью потока до 4 м/с и наличием микроводопадов.

В результате, для данных створов была предложена наплавная мини-ГЭС для работы в составе ЛоЭС, которая по комплексу решений является альтернативой существующим реализациям.

Наплавная мини-ГЭС барабанного типа, НБ мини-ГЭС (Floating Drum Type MiniHydro Power Station, FD MiniHydro) – ГЭС, агрегат которой обладает положительной плавучестью и расположен непосредственно в русле. ГЭС, рабочим органом которой является лопастной барабан, совмещающий функции герметичного корпуса, рабочего органа (водяного колеса), поплавка, генератора и охладителя. НБ мини-ГЭС предназначена для преобразования энергии свободного потока воды (рек, сбросов ГЭС и других гидротехнических сооружений) в механическую энергию вращения барабана и дальнейшего генерирования электроэнергии.

НБ мини- ГЭС состоит из руслового барабанного модуля (РБМ) и берегового щитового модуля (БЩМ). РБМ предназначен для преобразования энергии свободного потока воды в электрический ток, в нём также может помещаться минимум оборудования для управления мини-ГЭС.

На берегах устанавливаются бетонные основания – быки. Быки с лебедками и тросы предназначены для удержания и перемещения РБМ. Один трос и бык – эвакуационно-страховочные. Длина тросов изменяется с помощью лебёдок так, чтобы РБМ был установлен в русле в рабочем положении. При этом продольная ось РБМ располагается перпендикулярно направлению потока. Возможен вариант «архимедова винта», когда ось РБМ направляется по потоку.

На одном из берегов, выше уровня максимального подтопления, сооружается фундаментное основание для БЩМ. В БЩМ размещен генераторный щит с устройствами защиты и автоматики генератора и установленного в этом же модуле преобразователя, предназначенного для преобразования электроэнергии в нужный промышленный стандарт, а также выключатель с соответствующими устройствами защиты и автоматики для подключения преобразователя к сети.

Корпус РБМ, вращающийся на неподвижном валу, с установленным в нем генератором и необходимой автоматикой, доставляется к месту установки без лопастей, опорных элементов, дышел и досок. Механическая связь генератора с валом осуществляется посредством демпфирующе-центрирующих муфт. Конечная сборка РБМ производится на берегу водоема в непосредственной близости от кромки воды либо с частичным подтоплением. На противоположной стороне от генератора расположен балласт, вес которого равен весу генератора. Имеется несколько вариантов компоновки РБМ.

РБМ в рабочем положении не подвержен механическому разрушению и не теряет работоспособности при воздействии посторонних крупных предметов, которые проходят под корпусом и лопастями. Предполагается разработка РБМ повышенной надежности с ориентировочным сроком службы не менее 100 000 часов при средней наработке на отказ около 10 000 часов (один сезон). Может быть использован герметичный балластный танк для устранения чрезмерной плавучести (глиссирования). В корпусе может быть размещен жидкий непроводящий хладагент, возможно заполнение инертными газами либо двуокисью углерода через ниппель для снижения коррозии.

РБМ работает в условиях произвольных уровней воды в водоёме. Направляющие доски, установленные на дышлах, в штатном режиме (высокий уровень воды) выполняют роль концентраторов потока в зону РБМ и позиционируются по конкретной обстановке. При низком уровне нижние ребра досок, имеющие соответствующие площадь опоры и конфигурацию, выполняют также функции донных упоров, не допускающих посадку лопастей на дно водоема.

РБМ преобразует энергию потока в механическую энергию вращения корпуса посредством лопастей. Энергия вращения корпуса преобразуется в электроэнергию в генераторе (показан вариант магнитоэлектрического СГ), узлы которого конструктивно могут являться одновременно узлами корпуса, и передаётся по силовому кабелю на генераторный щит. Кроме силовых кабелей, РБМ и БЩМ могут быть связаны другими кабелями, по которым передаются сигналы для контроля параметров РБМ:

– температура обмоток генератора, давление и влажность в полости корпуса;

– управление работой генератора.

В частности, регулирование тока возбуждения при использовании зависимой системы возбуждения. Контроль состояния изоляции;

– контроль вибраций и угла наклона по поперечной оси (заваливание). Разъемное соединение РБМ и генераторного щита обеспечивает их неразрушающее разъединение в случае непредвиденного критического смещения РБМ в русле с автоматической блокировкой выдачи электроэнергии. В данном случае нагрузку берут на себя маневренные генерирующие мощности ЛоЭС. При этом генераторный щит исполнен таким образом, что обеспечивает мягкое, бестолчковое подключение нагрузки с последующим шунтированием полупроводниковых приборов в установившемся режиме для исключения гидродинамических ударов. Береговой модуль выдает потребителю только целесообразное количество энергии для данных мгновенных условий: динамическое регулирование выходной мощности.

Расположение БЩМ на берегу снижает вес русловой части устройства, повышает надежность РБМ, облегчает обслуживание устройств защиты и автоматики. Возможно фиксированное крепление РБМ (гидроагрегата), при условии обустройства искусственного створа на стойках, принимающих нагрузки от осей РБМ. В этом случае барабан удаляется из потока лебедкой путем вертикального подъема по направляющим несущим стойкам. При таком расположении ГЭС в зоне большого естественного уклона (водопад) возможно получение дополнительной энергии за счет увеличения скорости потока перед РБМ. Однако данный полустационарный вариант является более затратным.

Таким образом, конструкция малой ГЭС базируется на гидроагрегате, который включает в себя энергоблок, водозаборное устройство и элементы управления.

Для оценки необходимости развития мини ГЭС необходимо рассмотреть их основные достоинства и недостатки.

К преимуществам относят:

- Гибкость. Гидроэнергия является гибким источником электроэнергии, так как ГЭС может очень быстро адаптироваться к изменяющимся требованиям энергии, увеличивая или уменьшая производство электроэнергии.

- Низкие затраты на электроэнергию. Основным преимуществом гидроэлектроэнергии является отсутствие стоимости топлива. Стоимость эксплуатации гидроэлектростанции почти невосприимчива к увеличению стоимости ископаемого топлива (нефть, природный газ или уголь), и никакой импорт не требуется.

- Гидроэлектростанции имеют долгий срок эксплуатации.

- Затраты на оперативное обслуживание небольшие, требуется немного людей для контроля работы ГЭС.

- Плотина может использоваться сразу в нескольких целях: накапливать воду для ГЭС, защищать территории от наводнений, создавать водоем.

- Пригодность для промышленного применения.

- Снижение выбросов CO2. Гидроэлектростанции не сжигают ископаемые виды топлива и непосредственно не производят углекислый газ.

- Другие виды использования водохранилища. Водохранилища ГЭС часто предоставляют возможности для занятий водными видами спорта, и сами становятся туристическими достопримечательностями.

В числе недостатков рассматривают следующие факторы:

- Повреждение экосистемы и потеря земли.

- Заиление

- Выбросы метана (из водохранилищ)

- Переселение

Вместе с тем, несмотря на ряд недостатков, достоинства их значительно перевешивают. Таким образом, целесообразно рассмотреть проект установки мини ГЭС в Карачаево-Черкесской Республике. Расчеты проекта представлены в следующем параграфе настоящего исследования.