Энергия воды

1. Введение

Круговорот воды в природе происходит благодаря активности Cолнца, в результате чего вода испаряется из океанов, морей и других водных поверхностей, формирует тучи, выпадает в виде дождя или снега и попадает назад в океан. Энергия этого круговорота, движимого Солнцем, наиболее эффективно используется в гидроэнергетике. Использование воды для получения механической энергии - достаточно старая практика. Струя воды приводит в движение лопасти и может вращать их со скоростью, необходимой для производства электроэнергии. Количество энергии, вырабатываемой за счет воды, определяется перепадом высот.

К другим методам применения энергии воды относится использование энергии волн, приливов и отливов, а также разности температур воды в океане. Волны - непосредственный результат действия ветра, который возникает благодаря неравномерному нагреву земли и воды Солнцем. Из нескольких типов гидроэнергии, только происхождение приливов не связано с Солнцем. Гравитационное поле Луны является причиной приливов, величина которых зависит от широты и географии места.

В целом, энергия, заключённая в круговороте воды и морских волнах огромна, но использование этой энергии является достаточно трудным. Наиболее распространённым методом применения энергии воды является традиционная гидроэнергетика, т.е. технология, позволяющая производить электроэнергию за счет падающей воды. К принципиальным преимуществам гидроэнергетики можно отнести способность к быстрому восстановлению собственных ресурсов, отсутствие загрязняющих выбросов в атмосферу, возможность быстро регулировать нагрузку в сети, низкая стоимость процесса производства электроэнергии. В ходе выполнения гидроэнергетических проектов также осуществляется рекреация воды в резервуарах или отводящих каналах, расположенных ниже дамб. К недостаткам большой гидроэнергетики относятся большие капиталовложения в строительство гидроэлектростанций (ГЭС), а также вред, который наносится окружающей среде в процессе строительства и эксплуатации ГЭС.

История

Простейшие водяные колеса применялись уже в древние времена для облегчения тяжёлого ручного труда человека. Энергия воды была, вероятно, впервые упомянута древними приблизительно в 4000 году до н. э. Греки использовали водяные мельницы для перемола пшеницы в муку. С изобретением водяной турбины в начале 19 века использование энергии воды стало значительно более простым и распространённым. Энергия воды была быстро приспособлена для выполнения механических работ, таких как перемалывание зерна, вращение генератора для производства электричества. Во многих регионах Европы и Северной Америки вскоре возникли и первые промышленные установки на водяных турбинах.

В период, когда доступ к дешёвой нефти по всему миру стал возможен, интерес к гидроэнергетике был утрачен на долгие годы, но сейчас ситуация вновь меняется. Постоянно растущий интерес к гидроэнергетике, проявляемый правительствами, политиками, фондовыми и кредитными организациями, институтами и отдельными людьми, привел к тому, что многие проекты, ранее считавшиеся неосуществимыми, пересматриваются, определяются новые места под строительство ГЭС.

2. Гидроэлектростанции (ГЭС)

Для коммунальных хозяйств наиболее привлекательной среди возобновляемых источников энергии является электроэнергия, полученная за счет использования воды; её экономическая целесообразность была успешно доказана. Были построены ГЭС мощностью до 10 ГВт. Но если сравнивать оценку ученых относительно существующих в мире экономических ресурсов для достижения суммарной установленной мощности ГЭС в 3 000 ГВт, и цифру в 10 000 ГВт, характеризующую потребление энергии по всему миру, видно, что сделано еще довольно мало. В Европе, кстати, основной гидроэнергетический потенциал уже реализован: 98% потребляемой энергии в Норвегии вырабатывается за счет гидроэнергетики, а правительство Германии заявило, что в стране уже не существует больше мест для размещения ГЭС. Рассматривая мировое распространение гидроэнергетики можно отметить, что сегодня уже задействовано около 10% существующих гидроресурсов. Большим потенциалом для развития гидроэнергетики обладают страны Азии и Африки.

Мировое потребление энергии воды

В настоящее время в мире установлены ГЭС суммарной мощностью 630 000 МВт. Эти данные неточны, поскольку вклад от малых гидроэлектростанций и частных систем трудно подсчитать, но предполагается, что эти источники энергии могут добавить лишь несколько процентов к основному показателю. Годовое мировое производство электроэнергии - 2200 млрд кВт·ч; это означает, что ГЭС работают на 40% своей мощности.

Самый большой гидроэнергетический комплекс в мире находится на реке Парана между Парагваем и Бразилией. Он называется Дамба Итаипу, а суммарная мощность его 18 турбин составляет 12600 МВт. Использование энергии воды становится все более популярным во многих регионах мира. Например, в Китае и Индии ожидается резкий рост развития гидроэнергетики. В 1999 году Китай ввел в строй гидроэлектростанцию Эртан мощностью 3300 МВт, состоящую из шести турбин по 550 МВт каждая. Эртан - вторая по величине в Азии ГЭС и является крупнейшим производителем электроэнергии в Китае.

Гидроэлектростанции, строящиеся сейчас в Китае, имеют суммарную установленную мощность 32000 МВт. В Индии 12 крупномасштабных проектов, каждый по 3700 МВт установленной мощности, получили одобрение правительства. Строительство самой крупной в мире ГЭС - "Плотины трёх ущелий" в Китае, установленной мощностью 18.2 ГВт - вошло во вторую стадию проекта, начатого в 1998 году. Хотя возведение дамбы было временно отложено в августе 1998 года из-за обширного наводнения на реке Янцзы, второй этап планировался к завершению в 2003 году.

Третий этап должен закончиться в 2009 году, когда станция начнет работать на полную мощность. Около 3,7 млрд долларов США уже потрачено на строительство "Дамбы трёх ущелий", включая затраты, связанные с работами по дренажу строительной площадки из-за разлива Янцзы. По завершению строительства длина плотины будет 2 км, высота - 200 метров, а длина водохранилища - 550 км. Официальные лица Китая оценивают первоначальную стоимость проекта в 25 млрд долларов США.

Строительство "Дамбы трёх ущелий" было предметом долгих споров. Природные и социальные проблемы, связанные со строительством, огромны. Загрязнение воды в Янцзы удвоится, так как дамба будет "задерживать" около 50 видов загрязняющих веществ, поступающих в воду от горнодобывающей промышленности, фабрик и населенных пунктов. Ранее все эти загрязняющие вещества смывались в море сильным течением реки.

Тяжёлый ил отложится в верхнем течении реки (перед дамбой) и засорит речные каналы Чонгиньга. От 1,1 до 1,9 млн человек будут переселены для освобождения территории под водохранилище. Около 1300 мест, имеющих археологическую ценность, окажутся или затопленными, или перенесенными в другие районы. Некоторые исчезающие виды флоры и фауны будут также подвержены опасности. В 1996 году Экспортно-Импортный Банк США отказался давать кредиты американским компаниям, собирающимся работать над проектом китайской плотины, ссылаясь на экологические проблемы.

Завершается строительство напорно-насосной станции в Тибете на озере Ямжо Юмко. Тибетская станция, строящаяся на высоте от 4000 до 5000 м над уровнем моря, является самой высокогорной станцией в мире. В 1997 году Китай объявил о планах строительства гидроэлектростанции производительностью 40 000 МВт·ч в год на тибетской части реки Брахмапутра.

Многие страны Центральной и Южной Америки возлагают серьёзные надежды на гидроэнергетику в вопросе обеспечения их энергетических потребностей. В Бразилии в 1996 году суммарная установленная мощность энергогенерирующих объектов составляла 59 000 МВт, причем на долю ГЭС приходилось 86%. В таких странах, как Чили, Колумбия, Парагвай, Перу и Венесуэла на долю ГЭС приходится до 50% и больше от общей установленной мощности энергогенерирующих объектов. Хотя большая часть гидроэнергетических ресурсов региона уже задействована, существуют планы по существенному наращиванию гидроэнергетических мощностей в ближайшем будущем.

В Бразилии строящихся или планируемых к строительству ГЭС насчитывается больше, чем в любой другой стране Центральной и Южной Америки. В сентябре 1997 года последняя турбина была установлена на 3 000 МВт-ной плотине Ксинго на реке Сан-Франциско в Пиранхасе. Стоимость проекта составила 3,1 млрд долларов США. К другим большим ГЭС, недавно построенным в Бразилии, относится ГЭС Ита (2000 г) мощностью 1450 МВт и ГЭС Мачадиньо - 1 140 МВт. Обе станции расположены на реке Уругвай. Наконец, существуют планы, разработанные совместно Бразилией и Парагваем, по увеличению мощности 12 600 МВт-ной плотины Итаипу. Мощность ГЭС будет увеличена на 1 400 МВт, а затраты составят 200 млн долларов.

ИТАИПУ - крупнейшая в мире ГЭС

Потенциал гидроэнергетики

Существуют два главных фактора, которые определяют энергетический потенциал: расход воды за единицу времени и высота падения воды по вертикали. Верхняя точка, с которой падает вода - вершина - может быть естественной благодаря топографическому местоположению или может быть создана искусственно посредством строительства дамб. Этот принцип остается постоянным. Другой фактор - расход воды - прямой результат интенсивности, распространения и продолжительности дождевых осадков. Он также зависит от прямого парообразования, испарения, инфильтрации в землю, площади бассейна реки и грунта. Реки являются частью процесса круговорота воды в природе, "управляемого" солнцем. Вода испаряется с поверхности мирового океана в атмосферу, затем выпадает в виде осадков на Землю, после чего различными наземными и подземными потоками вновь "возвращается" в океан.

Мировой потенциал гидроэнергетики может быть оценен с помощью суммирования всех речных стоков, существующих на Земле. Результаты показывают, что этот суммарный потенциал, достигающий 50 000 млрд кВт·ч в год, составляет только четверть от количества выпадающих в мире осадков, но превосходит более чем в четыре раза суммарное годовое производство всех существующих в мире электростанций. Основываясь на местных условиях и состоянии мировых рек, реальный потенциал мирового водного ресурса находится в интервале 2 - 3 млрд кВт, что соответствует годовой выработке энергии в 10 000 - 20 000 млрд кВт·ч (согласно данным ООН за 1992г.). Остаётся важным вопрос: какое количество этого потенциала мы можем позволить себе использовать (см. главу по вопросам, связанным с окружающей средой)?

Теоретический ежегодный потенциал производства в 10 000 млрд кВт·ч электроэнергии означает, что для производства такого же количества электроэнергии на теплоэлектростанциях, работающих на нефти, потребовалось бы приблизительно 40 млн баррелей нефти в день.

Стоимость

Благодаря относительно низким затратам и конкурентоспособной цене за электроэнергию, выработанной на ГЭС, гидроэлектростанции представляют собой очень привлекательный бизнес для инвесторов. Кроме того, срок эксплуатации ГЭС намного превышает срок службы энергогенерирующих станций, работающих на ископаемом топливе. Существуют ГЭС, находящиеся в эксплуатации практически 100 лет.

3. Проблемы гидроэнергетики

Основной причиной того, что ГЭС не строят повсеместно, является высокая стоимость их строительства, а также необходимость наличия больших водных ресурсов в относительной близости к населенным пунктам. К другим проблемам, связанным со строительством ГЭС, относятся: воздействие дамб на речные экосистемы и социальные проблемы, в частности, связанные с переселением жителей.

Воздействие гидроэнергетики на экологию

Русло реки - экологическая система, где изменения в пределах одного компонента могут вызвать цепную реакцию. Например, изменения в расходе воды могут воздействовать на качество воды и ситуацию с рыбой ниже по течению. Барьеры дамбы могут значительно изменять условия существования рыбы. Кроме того, помимо появления нового водохранилища или увеличения размеров старого, построенная дамба может блокировать миграционные пути рыбы.

Изменения среды могут быть обнаружены и далеко вниз по течению, иногда даже в море. В тропиках могут происходить большие сезонные изменения количества осадков. В сухие периоды парообразование с озер и водохранилищ может быть значительным, что повлияет на уровень воды в водохранилищах более существенно, чем в умеренных широтах. Русло реки и ее водораздел взаимно влияют друг на друга. Русло, например, может воздействовать на местный климат и уровень грунтовых вод в окружающих районах.

Седиментация, происходящая в водохранилище, часто приводит к повышенной эрозии земли вниз по течению, что, в свою очередь, увеличивает суммарную эрозию земли в регионе. Изменения скорости течения и уровня воды также вызовут изменения в перемещении осаждающихся веществ.

Во время строительства ГЭС особенно большим будет перемещение грязи и отложений вниз по течению от места возведения станции. Земляные работы и проходка туннеля могут привести к значительному ухудшению качества воды, что вызовет дополнительные проблемы.

Грунтовые воды

Грунтовые воды играют важную роль в поддержании существующей экосистемы, ее флоры и фауны. В большинстве стран грунтовые воды являются также источником питьевой воды. Водохранилища вместе с изменением и возможными колебаниями уровня воды, вызванными наличием ГЭС, влияют на уровень грунтовых вод в окружающих районах, что, в свою очередь, может повлиять на качество воды и перемещение осадков в русле реки в результате стока и эрозии.

Чрезмерное удобрение

Всякий раз, из-за попадания питательных веществ в водохранилище, результатом может быть его чрезмерное удобрение - эутрофикация, что может привести к ускоренному росту водорослей и других водных растений. Увеличенное образование органических веществ в водохранилище или поступление их извне может вызывать анаэробные процессы (недостаток кислорода) в глубинных слоях воды.

В целом, мелкие озёра с большой площадью поверхности наиболее уязвимы, отчасти потому, что резерв кислорода в нижних слоях воды ограничен по сравнению с верхними слоями, где "вырабатываются" органические вещества. В глубоких узких озёрах, при условии регулярной циркуляции воды, содержание кислорода в глубоководных слоях будет достаточным для переработки отложившегося органического вещества. Однако, это не всегда верно для тропиков. Если река изначально богата питательными веществами, риск эутрофикации увеличивается.

Парообразование также может увеличивать концентрацию питательных веществ, приводя к чрезмерному удобрению или эутрофикации. Тропическая почва обычно имеет низкое содержание гумуса, что вместе с большими сезонными колебаниями количества осадков и их выпадением, чаще всего в виде сильных ливней, может вызвать значительную эрозию земли. Отложения будут "задерживаться" и скапливаться в водохранилище. Срок службы водохранилища, таким образом, уменьшается. Перемещение отложений и питательных веществ играет критическую роль в экосистеме реки. Использование людьми природы и ее богатств может полностью зависеть от разливов, водных отложений и питательных веществ.

Перемещение питательных веществ

Водохранилище служит "ловушкой" для питательных веществ и грязи, что может привести к значительному понижению общей миграции питательных веществ вниз по течению. Кроме того, годичные изменения в снабжении питательными веществами русла реки могут также подвергаться изменениям, что в свою очередь снижает биологическое воспроизводство на всем пути к морю. Имеются примеры, когда вследствие строительства дамбы лов рыбы морским флотом сокращался.

Рыба

Для некоторых видов рыб могут возникнуть препятствия для их размножения из-за возможного изменения уровня воды во время периода нереста. В искусственном водоеме обычно обитают меньше видов рыб, чем в естественном озере. Изменения потока воды могут радикально влиять на питательные вещества и условия икрометания вниз по течению. Также изменяется и "образование" пищи, как и ее доступность для рыбы. В дамбе и на местах сброса воды от турбин может выделяться избыточный газ, преимущественно азот, что может быть смертельным для рыбы

Некоторые ГЭС оборудованы каналами для рыбы

Флора и фауна

Затопление и изменение потока воды, кроме того, вызывает изменение фауны и флоры вне русла реки. Из-за постоянных или периодических затоплений под ударом окажется животный и растительный мир района, где находится ГЭС. Если животные могут частично переместиться в новые места обитания вне области водоема, (естественно, если соответствующие условия среды будут найдены), то растительность затопляемых областей считается утраченной.

Трудно предсказать вообще, какие произойдут изменения вне затопленной области. Локальные климатические изменения и изменения уровня грунтовых вод могут воздействовать на флору и фауну. Ценные виды и природные разновидности могут быть потеряны навсегда. Общее увеличение активности в районе (транспорт, шум и т.д.), особенно характерные для периода строительства, также воздействует на фауну отрицательным образом.

Движение популяций

Для больших ГЭС с дамбами необходимы большие водохранилища и большие площади для разлива. Для освобождения места под эти площади необходимо переселить много людей. Это значит, что жизнь многих людей может существенно измениться вследствие абсолютно нового местожительства, нового распределения земли, новых условий труда и стиля жизни. В случае с возведением больших ГЭС воздействие на жизнь людей может быть достаточно серьезным.

Социальные последствия, вероятно, возникнут и в том случае, если население района, где строится ГЭС, будет вынуждено переселиться на земли более экологически уязвимые и менее плодородные, чем те, которые они традиционно использовали. Такое косвенное воздействие на экологию может вызвать ряд значительных экологических проблем, имеющих негативные последствия для всего района, где находится ГЭС.

Особенно страдает коренное население. Из-за своих социально-культурных традиций и исторически сложившейся привязанности к земле, воде и другим природным ресурсам, они не могут приспособиться к изменениям и новым видам деятельности. Перемещение групп коренного населения ставит под удар всю их культурную систему. Такие меньшинства брошены на произвол судьбы, поскольку они практически не имеют большого политического влияния и возможности отстаивать свои собственные интересы.

Изменения в условиях социальной, экономической и религиозной организации общества могут создавать ряд косвенных социальных последствий, которые трудно предвидеть в процессе планирования проекта. Культурные ландшафты, древние стоянки, святые места, места погребения и т.д. часто имеют большое значение для культуры местного населения.

Здоровье

Большие ГЭС могут влиять на развитие эпидемий заболеваний, связанных с водой. Водохранилище может улучшать проживание и условия размножения паразитических организмов, вызывающих различные заболевания. Среди них можно упомянуть сыпной тиф, холеру, дизентерию и другие. К заболеваниям, связанным с водной средой обитания основных переносчиков, относятся биляриоз, малярия, филариоз, сонная болезнь и желтая лихорадка.

Водохранилища, где находится большое количество стоячей воды с низкими колебаниями ее уровня, создают благоприятные условия для жизни болезнетворных организмов. Растительность в водохранилище также "улучшает" среду обитания для некоторых типов переносчиков инфекции. Например, растительность может снабжать переносчиков инфекции повышенной порцией питательных веществ; улучшаются условия для размножения и сохранения в периоды низкого уровня воды; водные растения закрывают от сильного солнечного света улиток, которые являются разносчиками биляриоза. К тому же, исследования показали, что разновидность москитов - разносчиков малярии и филариоза - существует благодаря растительности в водоемах. Если водоем используется и для ирригации, и для снабжения технической и питьевой водой, имеется риск заражения болезнетворными организмами, живущими в воде. Такая инфекция может распространяться на обширные территории.

Наводнение, вызванное прорывом дамбы

Прорыв дамбы происходит редко, но, из-за его возможных масштабных последствий, необходимо заранее оценить размеры повреждений, вызванных прорывом. Несчастные случаи с людьми, повреждение имущества и технических сооружений рассматриваются как наиболее существенные, но значительным также может быть и негативное воздействие на окружающую среду.

Согласно статистике, наиболее частой причиной прорыва дамбы является сочетание усиления течения реки перед дамбой и повреждений в водосливе дамбы. Вторичными причинами являются дефекты основания дамбы или просачивание через нее воды. При высоком уровне воды в водохранилищах оползни земли и камней от насыпи выше или внутри резервуара могут вызывать настолько массивные паводковые волны, что вода может проливаться по полной или частичной ширине дамбы. Если дамба насыпная, это может привести к разрушению самой дамбы. Специальные меры предосторожности должны быть приняты, если большая дамба строится в сейсмически опасном районе.

4. Технологии

В ГЭС кинетическая энергия падающей воды используется для производства электроэнергии. Турбина и генератор преобразовывают энергию воды в механическую энергию, а затем - в электроэнергию. Турбины и генераторы установлены либо в самой дамбе, либо рядом с ней. Иногда используется трубопровод, чтобы подвести воду, находящуюся под давлением, ниже уровня дамбы или к водозаборному гидроузлу ГЭС. Мощность ГЭС определяется, прежде всего, по функции двух переменных: (1) расход воды, выраженный в кубических метрах в секунду (м3/с), и (2) гидростатический напор, который является разностью высот между начальной и конечной точкой падения воды. Проект станции может основываться на одной из этих переменных или на обеих.

С точки зрения превращения энергии, гидроэнергетика - технология с очень высоким КПД, зачастую превышающем более чем в два раза КПД обычных теплоэлектростанций. Причина в том, что объем воды, падающий вертикально, несет в себе большой заряд кинетической энергии, которую можно легко преобразовать в механическую (вращательную) энергию, необходимую для производства электричества. Оборудование для гидроэнергетики достаточно хорошо разработано, относительно простое и очень надёжное. Поскольку никакая теплота в процессе не присутствует (в отличие от процесса горения), оборудование имеет продолжительный срок службы, редко случаются сбои. Срок службы ГЭС - более 50 лет. Многие станции, построенные в двадцатые годы ХХ века - первый этап расцвета гидроэнергетики - все еще в действии.

Так как всеми существенными рабочими процессами можно управлять и контролировать их дистанционно через центральный узел управления, непосредственно на месте требуется небольшой технический персонал. В настоящее время накоплен уже значительный опыт по работе ГЭС мощностью от 1 кВт до сотен МВт.

5. Типы гидроэлектростанций

Гидроэнергетические технологии можно разделить на два типа: традиционные и гидроаккумулирующие, использующие насосную систему.

Существует и другая классификация ГЭС, в зависимости от:

• номинальной мощности (большие или малые ГЭС);
• уровня напора воды (низкие, средние и высоконапорные ГЭС);
• типа турбины (Каплана, Фрэнсиса, Пелтона и т.д.);
• расположения и типа дамбы, водохранилища.

Традиционные гидроэлектростанции для производства электроэнергии используют энергию воды рек, потоков, каналов, водоемов. ГЭС можно разделить на электростанции с дамбой, и на ГЭС, использующие систему отвода воды. В первом случае дамба используется для хранения воды. Вода может быть спущена в случае изменения потребностей в производстве электроэнергии или для поддержания постоянного уровня воды. Во втором случае строятся специальные обводные каналы, называемые деривационными. Производство гидроэнергии - только одна из многих целей. Водные ресурсы могут использоваться и для ирригации, регулирования стока, навигации, для промышленного и муниципального снабжения водой.

Гидроаккумулирующие электростанции

В основе работы гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) лежит удивительно простой принцип, основанный на хранении воды в двух водохранилищах, находящихся на различной высоте. В периоды, когда электрическая нагрузка в единой энергосистеме минимальная (обычно ночью), ГАЭС работает в насосном режиме, перекачивая воду с нижнего водохранилища в верхнее, используя при этом электроэнергию из системы.

В режиме непродолжительных "пиков" - максимальных значений нагрузки в энергосистеме - ГАЭС работает в генераторном режиме и использует воду, накопленную в верхнем водохранилище. После того, как процесс пиковой генерации завершён, вода перекачивается назад в верхнее водохранилище и ГАЭС готова к следующему циклу. Являясь энергопотребителем (использование энергии в насосном режиме), ГАЭС имеют особое значение благодаря тому, что они могут быть быстро введены в работу для генерирования электроэнергии во время "пиковых" нагрузок в энергосистеме. В большинстве случаев, гидроаккумулирующие ГЭС проходят полный цикл каждые 24 часа.

Компоненты ГЭС

Традиционные ГЭС состоят из следующих компонентов:

• Дамба. Управление потоком воды и увеличение высоты для создания напора воды.
• Турбина. Вращается под давлением воды, падающей на лопасти.
• Генератор. Соединен с турбиной и, вращаясь, вырабатывает электроэнергию.
• Трансформатор. Преобразовывает напряжение генератора в напряжение, необходимое для передачи электроэнергии в энергосеть.
• Линии передачи. Передают электрический ток от гидроэлектростанции к электрической распределительной системе.
• В некоторых ГЭС также присутствует еще один компонент - напорный водовод, который подводит воду от источника или бассейна к турбине ГЭС.

Типы турбин

Самая старая конструкция "гидротурбины" - водяное колесо, где для его вращения используется естественный напор водяного потока. Традиционное водяное колесо сделано из древесины и оборудовано по периметру ковшами либо лопастями. Вода "толкает" их, заставляя колесо вращаться. Водяные колеса использовались в течение столетий, но для производства электроэнергии эти большие и медленно вращающиеся колеса не подходят. Гидротурбины, используемые для генерирования электроэнергии, сделаны из металла, вращаются на более высоких скоростях, и намного проще в изготовлении и установке. Для более эффективной работы в различных условиях были разработаны различные типы турбин.

Гидротурбины можно классифицировать по-разному. Одна классификация основана на способе функционирования (импульсная или реактивная турбина); другая классификация связана с конструкцией (расположение вала и подача воды). Гидротурбины могут функционировать как турбины, как турбины-насосы или комбинированно. Они могут иметь единичную или двойную регулировку. Турбины могут также классифицироваться в зависимости от скорости вращения.

Импульсные турбины используют сопло в конце трубопровода, которое преобразовывает водяной поток под давлением в стремительную струю. Эта струя направлена на рабочее колесо турбины (так называемый бегунок), сконструированное таким образом, чтобы передать кинетическую энергию струи в энергию вращения вала. Распространёнными импульсными турбинами являются турбина Пелтона и турбина поперечного течения. В реактивных турбинах энергия воды за счет увеличения давления увеличивает скорость потока на направляющих лопастях и непосредственно на рабочем колесе турбины. Типичный пример реактивной турбины - турбина Френсиса.

Преимущество малой реактивной турбины заключается в том, что она может полностью использовать гидравлический напор в данном месте. Импульсная турбина должна быть установлена выше нижнего уровня воды. Преимущество импульсной турбины заключается в том, что она достаточно простая и дешевая, легко можно контролировать подачу воды на турбину, изменяя размер сопла. В отличие от импульсной турбины, большинство малых реактивных турбин нельзя оттарировать в зависимости от расхода воды.

Большинство гидротурбин состоит из закрепленного на валу рабочего колеса турбины или "бегунка", установленного в канале, подводящем воду с более высокого уровня, (водохранилища, расположенного вверх по течению от дамбы), к руслу реки ниже дамбы. Некоторые "бегунки" выглядят похожими на винт лодки, у других - более сложные формы. Рабочее колесо турбины установлено в канале, который пропускает воду из водохранилища через рабочие лопасти, заставляющие турбину вращаться.

Почти все гидравлические турбины / генераторы вращаются с постоянной скоростью. Постоянная скорость, с которой работает один тип турбины / генератора, может значительно отличаться от скорости другого типа. Оптимальная скорость для каждого типа турбины определяется во время ее проектирования. При разработке генератора эта скорость также учитывается. Устройство, называемое регулятором, "заставляет" каждую единицу работать с соответствующей скоростью, используя для этого так называемые шлюзы.

Турбина пелтона

Принцип работы старого водяного колеса реализован в современной турбине Пелтона (ковшовая турбина). Внешне эта турбина напоминает классическое водяное колесо. Турбина Пелтона используется при высоте напора воды более 40 м (до 2000 м). При высоте напора ниже 250 м предпочтение отдается, в основном, турбине Фрэнсиса. Наибольшая мощность таких турбин сегодня составляет около 200 MВт.

Турбина Пелтона принадлежит к типу импульсных турбин, где имеющийся напор воды преобразуется в кинетическую энергию при атмосферном давлении и частичном впуске потока в турбину. Эта турбина была изобретена в конце 19 века американцем Пелтоном, в честь которого она и была названа. Самое главное усовершенствование, сделанное Пелтоном - симметричные двойные чаши. Эта модель используется и сегодня. Ребро разделителя делит струю пополам, образуя два потока, отклоняющиеся друг от друга. Наибольшие турбины Пелтона имеют диаметр более 5 м, а их вес превышает 40 тонн. Колесо должно быть помещено выше уровня стока, что означает потерю гидростатического напора. В то же время не происходит погружения в воду рабочего колеса турбины - "бегунка". Во избежание недопустимого повышения давления в напорном водоводе, вызванном регулированием турбины, иногда устанавливаются дефлекторы струи. Дефлектор отклоняет струю или её часть от рабочего колеса турбины.

С момента ее изобретения турбина Пелтона была значительно улучшена, а ее номинальная мощность увеличилась. Процесс "передачи" энергии турбине происходит следующим образом: чашеобразные лопасти (их максимальное число равняется 40),соединены в две получаши, в каждую из которых из сопла бьёт струя воды, отклоняемая на 180о, передавая всю свою энергию турбине. Благодаря реверсивному движению, почти вся кинетическая энергия преобразуется в импульс на внешнем диаметре колеса. Из-за симметрии потока почти не создаётся осевого усилия на "бегунке".

С точки зрения конструкции, турбину Пелтона можно адаптировать под любой поток и напор. Для увеличения мощности турбины могут быть оборудованы одним, двумя, или большим количеством сопел. При изготовлении ротора обычно используется медное или стальное литьё. Ковшовые турбины просты в обслуживании.

Турбина фрэнсиса (турбина радиального потока)

В большинстве случаев, при наличии большого или малого потока воды, а также при разных уровнях напора, используется турбина радиального потока или турбина Фрэнсиса. В отличие от турбины Пелтона, турбина Фрэнсиса, как и турбина Каплана, является турбиной реактивного типа, где рабочее колесо турбины полностью погружено в воду, а давление и скорость воды уменьшаются в процессе ее прохождения через турбину. Вода сначала входит в спираль, представляющую собой кольцевой канал, окружающий рабочее колесо турбины, а затем течет между неподвижными лопастями, направляющими поток воды. Во время поступления воды на "бегунок", полностью погруженный в воду, возникает импульс, вызывающий реакцию в турбине. Вода течёт радиально, то есть к центру.

"Бегунок" имеет искривленные лопасти, на которые попадает вода. Направляющие лопасти устроены таким образом, что энергия потока воды трансформируется во вращательное движение, и при этом почти не происходит потерь энергии в результате турбулентности или других нежелательных явлений, характерных для потока воды. Обычно направляющие лопасти можно регулировать, что позволяет "приспосабливать" турбину к изменениям потока воды и ее нагрузки.

Направляющие лопасти в турбине Фрэнсиса направляют поток воды так же, как и сопло турбины Пелтона. Вода "освобождается" через выходное отверстие в центре турбины. Турбина Фрэнсиса намного сложнее по своей конструкции, чем турбина Пелтона.

Для предотвращения гидравлического удара вследствие резкого изменения потока воды турбина Фрэнсиса оснащена клапанами сброса давления, которые не только ограничивают увеличение давления, но и предотвращают взбалтывание осадка в трубах вследствие гидравлического удара.

Существует множество конструкций турбины Фрэнсиса, благодаря чему может быть использован напор воды от 30 м до 700 м. Наиболее мощные турбины Фрэнсиса имеют номинальную мощность до 800 MВт.

Турбина каплана (турбина пропеллерного типа)

Для очень малого напора и интенсивного потока применяется другой тип турбины - турбина Каплана (турбина пропеллерного типа). В турбине Каплана вода течёт сквозь винт/ пропеллер и заставляет его вращаться. В этой турбине площадь, сквозь которую протекает вода, равняется всей площади, охватываемой лопастями. По этой причине турбины Каплана применимы для очень больших объемов водяных потоков. Этот тип турбины используется там, где напор составляет всего несколько метров.

Вода поступает в турбину через боковой канал, попадает на направляющие лопасти, а затем течет вдоль оси винта. По этой причине эти машины называются осевыми турбинами. Их преимущество относительно радиальных турбин состоит в том, что технически намного проще изменять угол лопастей при изменении потребности в электроэнергии, что, в свою очередь, повышает эффективность работы гидротурбины.

Поток воды, проходящей через турбину, может контролироваться путем изменения расстояния между направляющими лопастями; при этом также регулируется наклон лопастей винта. Каждое положение направляющих лопастей соответствует конкретному положению лопастей винта, что обеспечивает высокую производительность турбины. Важная особенность турбины Каплана - скорость вращения лопастей вдвое больше скорости потока воды. Это позволяет получать высокую частоту вращения при относительно низких скоростях потока воды.

Существуют различные конструкции турбины Каплана. Их применяют при напоре от 1 м до 30 м. При таких условиях для получения соответствующей выходной мощности требуется относительно больший поток по сравнению с турбинами, работающими при сильном напоре. Поэтому габариты этих турбин достаточно большие.

Турбина поперечного течения (турбина банки)

Концепция турбины поперечного течения - хотя она намного менее известна, чем три вышеперечисленные гидротурбины - не нова. Она была изобретена инженером по имени Мичелл, получившего патент в 1903 году. Вполне независимо в Будапештском университете эта турбина была "вновь" изобретена венгерским профессором Донатом Банки. К 1920 году это открытие было довольно известно в Европе по ряду публикаций. Существует единственная компания, производящая гидротурбины поперечного течения на протяжении уже нескольких десятилетий - это немецкая фирма Оссбергер (Ossberger) в Баварии. Более 7000 таких турбин установлено по всему миру.

Главная особенность турбины поперечного течения состоит в следующем. Струя прямоугольного сечения проходит дважды сквозь лопасти, установленные на периферии цилиндрического ротора перпендикулярно к его оси. Вода течёт сквозь лопасти сначала в направлении от периферии ротора к его центру, а затем, после пересечения открытого пространства внутри ротора, от внутренней части за пределы. Превращение энергии происходит дважды: вначале, во время "попадания" воды на лопасти на входе, и затем, когда вода "ударяет" по лопастям на выходе из ротора. Использование двух рабочих фаз не обеспечивает никакого особенного преимущества за исключением того, что это очень эффективный и простой способ отвода воды из ротора.

Обычно эту турбину классифицируют как импульсную. Это не совсем правильно и, вероятно, основано на том факте, что первоначальный проект представлял собой турбину постоянного давления. Достаточно большое расстояние было между соплом и ротором для того, чтобы струя поступала в ротор без какого-либо статического давления. Современные конструкции обычно изготавливаются с соплом, которое охватывает большую дугу периферии ротора, что позволяет увеличить поток при сохранении меньшего размера турбины. Эти конструкции работают как импульсные турбины только с малым отверстием сопла. При этом приведенный поток полностью не заполняет пространство между лопастями, а давление внутри ротора - атмосферное. С увеличением потока, который теперь полностью заполняет пространство между лопастям, давление повышается и турбина работает как реактивная.

Турбины поперечного течения могут использоваться при напоре от 2 м до более, чем 100 м. Изменяя ширину ротора и размеры входного отверстия, турбину с постоянным диаметром ротора можно приспособить к различным величинам потока воды. Благодаря этому, также уменьшается количество необходимых для изготовления турбины станков, зажимных приспособлений и т.д. В выпускаемых роторах соотношение "ширина к диаметру" составляет от 0.2 до 4.5. Для широких роторов опорные диски приваривают к валу через равные интервалы для предотвращения изгиба лопастей.

Благодаря низкой цене и хорошему управлению, эти турбины очень популярны для малых ГЭС.

Большая или малая?

ГЭС различаются по мощности от нескольких сот ватт до более чем 10.000 MВт. Классифицируются ГЭС достаточно просто: обычно все электростанции с мощностью более 10 MВт считаются большими, а все другие - малыми. Существует также классификация ГЭС малой мощности, в которой применяются такие термины как "микро" или "нано" (сверхминиатюрная) относительно ГЭС мощностью меньше 1 кВт. Однако стоит обратить внимание на определённые характеристики и основные различия между большими и малыми ГЭС.

6. Большая гидроэнергетика

Большие ГЭС по своей природе требуют хорошей инфраструктуры: в первую очередь - это дороги во время строительства. Необходим также и доступ к энергосетям, заключающийся в наличии высоковольтных линий передач и обширной распределительной системы, обслуживающей большое число индивидуальных потребителей и промышленных предприятий.

Большие ГЭС являются собственностью больших компаний или государственных предприятий, которые обычно и управляют ими. Для управления, администрирования и обслуживания таких ГЭС необходимы квалифицированные специалисты. Благодаря уменьшению удельных капитальных затрат с увеличением размера станции, а также из-за возможности повышения нагрузки с ростом числа потребителей, себестоимость произведённой электроэнергии относительно низка. Проблема заключается в пиковой нагрузке: большое число потребителей требуют максимального количества энергии в течение единого временного интервала, что приводит к большому неконтролируемому пиковому спросу, который должен быть удовлетворён за счет увеличения мощностей - дорогостоящих гидроаккумулирующих и резервных сооружений.

С технической точки зрения, большая мощность ГЭС требует сложного технологического производства электромеханического оборудования, высокого уровня прогнозирования выполнимости, планирования и гражданского строительства. Период подготовки и реализации проекта достаточно продолжителен. Само собой разумеется, что этот процесс является довольно дорогостоящим, что, впрочем, оправдано большим масштабом объекта. Стоимость самого оборудования составляет относительно малую часть общей стоимости проекта. Крупномасштабные ГЭС требуют тщательного подхода и к вопросам экологии. Искусственные озёра могут полностью изменить ландшафт и затопить большие площади пахотной земли. Положительные аспекты: возможность управления потоком и создание новых зон отдыха (катание на лодках, ловля рыбы, кемпинги) хотя очевидно, что выгоды, получаемые от этого, не возрастают пропорционально увеличению размера ГЭС.

Условия, наличие которых необходимо для развития большой гидроэнергетики:

• большое централизованное энергопотребление;
• крупная промышленность, мегаполисы, городские районы;
• международная, национальная и региональная центральные энергосистемы;
• большие корпорации или государственные предприятия с высококвалифицированным и хорошо оплачиваемым штатом;
• долгосрочная оценка потенциала, долгосрочное планирование и длительный период строительства с применением сложной техники и технологии

В зависимости от потенциала большая гидроэнергетика может внести значительный вклад в решение вопроса национального энергообеспечения.

7. Малые гидроэлектростанции

В малых, "микро" или "нано" ГЭС сочетаются преимущества большой ГЭС с одной стороны и возможность децентрализованной подачи энергии с другой стороны. Они не имеют многих недостатков, характерных для больших ГЭС, а именно: дорогостоящие трансмиссии, проблемы, связанные с негативным воздействием на окружающую среду. Кроме того, использование малой гидроэнергетики ведёт к децентрализованному использованию электроэнергии, способствует развитию данного региона, главным образом основанном на самодостаточности и использовании местных ресурсов.

Во всем мире сегодня установлено несколько тысяч малых ГЭС. Современные гидроэнергетические технологии являются очень высокоразвитыми. За последние 40 лет были значительно усовершенствованы конструкции гидротурбин, в первую очередь с целью достижения более высокого уровня преобразования механической энергии в электрическую. Это особенно актуально для больших ГЭС, где повышение КПД гидротурбины на 1% может означать увеличение мощности на несколько MВт. Естественно, что такая сложная технология является достаточно дорогой. Для малых ГЭС технология больших ГЭС зачастую имеет уменьшенные размеры, что приводит к значительному повышению капитальных затрат на единицу установленной мощности. С другой стороны, воздействия на окружающую среду со стороны малой гидроэнергетики настолько незначительны, что зачастую о них говорят как о "не существующих".

Малые ГЭС в большинстве случаев присоединены к энергосети. Большинство из них не имеют больших водохранилищ, то есть вода не собирается позади дамбы. Они вырабатывают электроэнергию, если естественный уровень воды в реке достаточен, но в периоды высыхания реки или падения скорости потока ниже определенной величины производство электроэнергии приостанавливается. Существует два основных типа малых (или микро) электростанций. При наличии аккумуляторной системы малая ГЭС вырабатывает электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторах. В периоды низкого уровня потребления электроэнергии ее излишек также сохраняется в аккумуляторах. Если же природного водяного потока достаточно для бесперебойной выработки электроэнергии, малая ГЭС поставляет электроэнергию в сеть напрямую без накопления ее в аккумуляторах.

Малая гидроэнергетика имеет особое значение для стран с развивающейся экономикой, в первую очередь, благодаря обеспечению принципа децентрализации. Выработанная электроэнергия обычно передаётся по низковольтной распределительной сети относительно небольшому количеству потребителей, расположенных поблизости от ГЭС.

Малые ГЭС отличаются друг от друга в зависимости от используемого напора воды. Высоконапорные ГЭС типичны для горных областей; и вследствие того, что для выработки такого же количества электроэнергии им необходим меньший поток, они обычно дешевле других ГЭС. ГЭС малого напора типичны для равнин, им не нужен водопроводящий канал. На размер капитальных затрат, связанных со строительством малых ГЭС, влияет много факторов. Однако одним из наиболее существенных является выбор места и "привязка" к нему ГЭС. Наличие соответствующего напора и скорости потока воды - необходимые условия для производства электроэнергии.

Для большинства ГЭС необходим трубопровод, подающий воду для работы турбины. Исключение - винтовые машины с открытым входом. Вода должна пройти сначала сквозь фильтр, "задерживающий" находящийся в ней мусор, чтобы избежать засорения и повреждения турбины. Вход обычно размещается в стороне от основного водяного потока, чтобы во время интенсивного потока предохранить турбину от прямого напора воды и мусора.

Требования по технике безопасности при строительстве малых ГЭС не такие высокие, как в случае с большими ГЭС, так как даже разрыв малой дамбы обычно не угрожает человеческим жизням, и риск, соответственно, меньший, что в свою очередь уменьшает капитальные затраты. При строительстве малых ГЭС обычно используются местные материалы, а к работе привлекается местное население.

Малые ГЭС могут требовать большего обслуживания, чем соответствующие им по установленной мощности ВЭУ или фотоэлектрические системы. Важно, чтобы турбина не засорялась. Это достигается надёжной фильтрацией и строительством отстойника. Относительно механических частей турбины, только подшипники и щетки требуют регулярного ухода и замены.

Себестоимость электроэнергии, выработанной на малых ГЭС

Согласно данным Мирового Банка, первичные капиталовложения в строительство малых ГЭС колеблются от 1800 до 8800 долларов США за 1 кВт установленной мощности (для водяных напоров от 2,3 м до 13,5 м), и от 1000 до 3000 долларов США за 1 кВт (для напоров от 27 м до 350 м). В то же время, затраты на обслуживание ГЭС невысокие.

К капитальным затратам относятся:

• Строительство дамбы, канала, станции.
• Оборудование для производства электроэнергии (турбина, генератор, трансформатор, линии электропередач).
• Другие (разработка, стоимость земли, пуско-наладочные работы).

Обычно оборудование, используемое при небольшом водяном напоре и низкой выработке электроэнергии, является дорогостоящим: на него приходится от 40 до 50% от общих капиталовложений. Поскольку речь идёт о затратах на гражданское строительство, нельзя дать точных цифр относительно стоимости каждого объекта. Дамбы, каналы и приёмные устройства будут составлять разные процентные соотношения от общих капиталовложений для различных объектов. Многое зависит от топографии и геологии, а также от применяемой технологии строительства и от используемых материалов. К примеру, общая стоимость новых малых ГЭС в Германии составляла 5-9 евро за 1 Вт установленной мощности. Затраты, связанные непосредственно со строительством ГЭС, составляли 35% этой суммы, стоимость же оборудования для производства электроэнергии - 50%. В разных странах стоимость турбины, конечно же, различна: например, турбина мощностью 8 кВт (тип Банки с регулированием) в Чешской республике стоит 3500 евро или 0,45 евро за 1 Вт.

Высокие капитальные затраты - самый большой барьер на пути широкомасштабного развития малой гидроэнергетики. Однако, несмотря на этот факт и длительный срок окупаемости (7-10 лет в некоторых странах, например в Словакии), малые ГЭС являются рентабельными из-за их продолжительного срока службы (более 70 лет) и низких затрат на техническое обслуживание. Как правило, стоимость обслуживания и ремонта, не включая замену дорогостоящего оборудования, составляет приблизительно от 3 до 4 % капиталовложений для малой и микрогидроэнергетики.

Условия, наличие которых необходимо для развития малой гидроэнергетики:

• децентрализованное, небольшое по объему энергопотребление; мелкие отрасли промышленности, индивидуальные фермерские хозяйства и предприятия, сельское население;
• низковольтная распределительная сеть и, очевидно, внутри региональная микро энергосеть;
• индивидуальное, кооперативное или общинное право собственности; среднеквалифицированный труд и кооперативное администрирование;
• средний по продолжительности период планирования, использование местных материалов и трудовых ресурсов. В зависимости от потенциала малая гидроэнергетика может существенно повысить уровень жизни сельских жителей;
• благодаря высокому уровню приспособляемости к быстроизменяющимся нагрузкам в сети, малая ГЭС является предпочтительным элементом любой интегрированной энергосистемы.

Срок эксплуатации малых ГЭС достаточно длителен, некоторые станции работают более 70 лет. Современные малые ГЭС могут иметь еще больший срок службы. Таким образом, они могут обеспечивать электроэнергией несколько поколений, при этом, не нанося вреда окружающей среде.

Доказано, что инвестиции в малую гидроэнергетику не подвержены рискам, они надежны в течение нескольких десятков лет.

8. Малые гидроэлектростанции для развивающихся стран

В развивающихся странах малая гидроэнергетика может иметь потенциально важное значение для освещения домов, для обеспечения электроэнергией водонапорных станций, для таких отраслей промышленности, как деревообработка и металлообработка, для помола зерна, а также в текстильной промышленности.

Акцент делается на использовании имеющейся в настоящее время технологии, на применении простого оборудования, которое можно изготовить в данном регионе с использованием местных строительных материалов и технологий. Основная цель - максимальное понижение капитальных затрат. В свою очередь, это может привести к усовершенствованию местных технологий с их последующим применением для больших ГЭС.

Китай

За последние 25 лет развитие малой гидроэнергетики в этой стране было стремительным. Помимо строительства больших объектов, много внимания уделялось и малым ГЭС, что привело к появлению на обширных сельскохозяйственных территориях 100 000 станций суммарной установленной мощностью около 10000 MВт.

Первая крупномасштабная кампания по строительству малых ГЭС началась еще в 1956 году. Амбициозный план состоял в строительстве 1000 малых станций, использование которых предусматривало не только выработку электроэнергии, но и создание ирригационных систем. Хотя промышленные технологии позволяли осуществить строительство больших ГЭС, строительство малых ГЭС продолжалось. Широкое применение получили миниатюрные турбогенераторы номинальной мощностью от 0,6 до 12 кВт для обеспечения электроэнергией горных деревень, рассеянных по стране.

Развитие малой гидроэнергетики полностью основывалось на использовании местных ресурсов: материалов, технологий и местной рабочей силы. Учитывая этот фактор, необходимо отметить, что достигнутые результаты оказались более чем впечатляющие. Однако, развитие гидроэнергетики в Китае тормозят следующие препятствия. Региональное распределение водных ресурсов очень неравномерно и сконцентрировано в областях, которые слабо заселены. Неравномерность потока воды во многих реках значительна. Например, максимально зарегистрированная скорость потока в реке Хуанхэ в 88 раз превышала ее минимальный уровень, а на малых реках такие колебания потока, вероятно, будут намного выше.

Микрогэс

Под микроГЭС понимают ГЭС мощностью менее 1 кВт. При максимальной нагрузке такие ГЭС вырабатывают количество электроэнергии, достаточное для полного обеспечения трех домашних хозяйств. Никакая другая технология возобновляемой энергетики, имеющая такую же стоимость, не является столь надёжной и вырабатывающей такой же объем энергии. Строительство микроГЭС означает, что для водного ресурса местности характерным является или очень низкий напор, или очень слабый поток, а иногда и обе характеристики сразу. ГЭС, построенные на реке с низкой скоростью потока, обычно имеют аккумулирующую систему и разработаны таким образом, чтобы вырабатывать электроэнергию с постоянным током. При наличии сильного потока ГЭС могут вырабатывать электроэнергию с переменным током без использования аккумулирующей системы. Однако подобные ГЭС должны работать и при пиковых нагрузках. В некоторых случаях произведенная избыточная электроэнергия обеспечивает дополнительные объекты, например, водонагреватель.

Гидротурбина, обеспечивающая электроэнергией домашнее хозяйство, может быть куплена за 1000 долларов США. Эти простые приборы, размером с хлебницу, используют обмотку автомобильного генератора для выработки постоянного тока. Постоянный ток используется для зарядки аккумуляторов, затем преобразуется в переменный ток с помощью инвертора.

Типичная микрогидроустановка переправляет малую часть водяного потока сквозь фильтр в емкость для воды, например, 200-литровую бочку. Бочка служит отстойником, фильтр задерживает мусор, находящийся в воде, который может засорить входное отверстие турбины. Вода попадает из бочки в турбину по поливинилхлоридному трубопроводу (обычно от 5 до 10 см в диаметре), а затем возвращается в речной поток. Дополнительные затраты на трубопроводы, контрольную систему, аккумулятор и электропроводку зависят от каждого отдельного случая и колеблются от 1000 до 5000 долларов США.

Микрогидротурбины бывают двух основных видов. Одни используют генератор переменного тока по типу автомобильного. Другие (наногидросистемы) используют генератор с постоянным магнитом либо мотор. Машины, работающие с генератором переменного тока, используются для ГЭС мощностью от 100 до 1000 Вт, в то время как турбины с генератором на постоянных магнитах лучше подходят для ГЭС мощностью до 80 Вт.

Для регулирования в больших гидросистемах используют шунты. Это предотвращает превышение скорости вращения турбины и преждевременный износ деталей. Меньшие системы используют стабилизаторы, которые "разгружают" генератор в периоды, когда выработка электроэнергии не нужна. Использование аккумулятора в работе микроГЭС оправдано: турбина вырабатывает постоянный объем электроэнергии. Аккумулятор действует как "маховик" для сглаживания периодов, когда потребление достигает пиковых нагрузок. МикроГЭС заряжает аккумулятор практически сразу после того, как небольшое количество электроэнергии, накопленной на батарее, было использовано. Эти системы, как и обыкновенные аккумуляторы, могут работать длительное время. В микросистемах длина и диаметр трубы должны быть определены в соответствии с рабочими условиями и параметрами турбины. Использование длинных труб малого диаметра сделает даже самую лучшую турбину неэффективной.

Наногэс с генератором на постоянных магнитах

Отличительной чертой этих ГЭС является использование генераторов на постоянных магнитах. Преимущество состоит в том, что электроэнергия не тратится для создания магнитного поля, как в большинстве случаев с генератором переменного тока; то есть вся выработанная электроэнергия поступает на аккумулятор. Недостаток системы с постоянными магнитами состоит в том, что ее максимальная мощность ограничена естественной силой магнитов.

Аккумулирующие системы

Большинство микро- и наносистем являются аккумулирующими. Они требуют гораздо меньшего количества воды, чем системы переменного тока и обычно более дешевые. Поскольку энергия накапливается на аккумуляторе, генератор может быть отключен без прерывания снабжения электричеством потребителей. Трубопровод, турбина, генератор и другие узлы для таких ГЭС могут быть намного меньшими, чем в системах с переменным током. Для преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный ток, необходимый для работы большинства домашних приборов, используются инверторы. Входное напряжение постоянного тока на аккумуляторе обычно от 12 до 48 В. Если дальность передачи небольшая, тогда используется 12-вольтовая система. Для передачи на большие расстояния используется более высокое напряжение.

Гидросистемы переменного тока

Гидросистемы переменного тока в основном используются коммунальными предприятиями. Система переменного тока не нуждается в аккумуляторе. Это означает, что генератор должен быть способен к обеспечению непрерывной потребности в электроэнергии, включая максимальную нагрузку. Наиболее тяжёлый режим - периоды пиковой нагрузки в сети при работе холодильников, посудомоечных машин и некоторых других бытовых приборов. В гидросистемах переменного тока выработанная электроэнергия не аккумулируется, поэтому любой избыток электроэнергии используется сразу же, например, для работы водонагревателя. Почти всегда имеется достаточный избыток электроэнергии для подогрева воды или отопления помещения.

Насос-турбины

Высокий уровень капиталовложений, необходимых для строительства малых ГЭС, длительное время оставался основным препятствием для развития этого направления гидроэнергетики. Сокращения капиталовложений можно достичь путем стандартизации оборудования, но область применения стандартизированного оборудования ограничена, так как не существует двух полностью одинаковых объектов. Усилия, направленные на понижение стоимости ГЭС посредством использования местных ресурсов, являются более перспективными, в значительной степени благодаря более низкой оплате труда местного населения. Однако, в таком случае, требования, предъявляемые к проектированию, работе и иногда надежности объекта также могут быть занижены.

Использование стандартных насосов, работающих в режиме турбины, так называемые насос-турбины (НТ), может быть альтернативой традиционным гидротурбинам, причем с большим экономическим преимуществом. Этот "вид" турбин может сыграть решающую роль в развитии малой гидроэнергетики. Единственное отличие НТ от традиционных турбин в том, что из-за отсутствия гидравлического контроля источник воды не может использоваться так же эффективно, как в случае с турбиной.

Области применения насос-турбин

Насосы могут работать в реверсивном режиме так же эффективно, как и турбины. Благодаря этой характеристике, стандартные насосы чаще стали использоваться в малой и микрогидроэнергетике. Однако производительность в обоих режимах не одинакова: в режиме турбины скорость потока и напор превышают величины, характерные для работы оборудования в режиме насоса. Главная причина этого различия связана с гидравлическими потерями. Насос-турбины могут использоваться как привод для машин, работающих в агропромышленном комплексе и других отраслях промышленности (мельницы, нефтяные насосы, очистители риса, лесопилки, деревообрабатывающие и металлообрабатывающие мастерские), а также для выработки электроэнергии на автономных станциях и на станциях, подсоединенных к общей энергосети.

Преимущества насос-турбин

Капитальные затраты на насос-турбину могут быть на 50 % ниже по сравнению с сопоставимой турбиной (особенно для малых механизмов мощностью ниже 50 кВт). Это может стать важным доводом для проектов с ограниченным бюджетом.

Отсутствие гидравлического устройства, контролирующего поток, обычно воспринимается как недостаток, но в то же время является преимуществом, так как конструкция насоса - проста и надёжна.

Благодаря своему широкому применению в различных областях промышленности, для ирригации, в водопроводных системах, приобрести стандартный насос легко, т.к. изготовители насосов или их представители есть во всех странах.

Запасные детали насосов также легкодоступны, почти во всех странах мира существует послепродажное обслуживание насосов изготовителями.

Для их обслуживания не требуется ни специального оборудования, ни особой квалификации.

Недостатки насос-турбин

Нет гидравлического контроля потока, поэтому контрольный клапан должен быть встроен в трубопровод, что, естественно, вызовет дополнительные затраты. Если клапан используется не только для запуска и остановки насоса, но и для его регулировки, в соответствии с сезонными колебаниями потока, гидравлические потери резко возрастут.

При частичной нагрузке эффективность работы НТ намного ниже, чем у традиционных турбин, имеющих эффективное гидравлическое управление (поворотные направляющие лопатки, сопла или рабочие лопасти) для регулировки машины в соответствии с изменяющимся потоком или требуемой выходной мощностью. Если НТ используются в потоке, отличном от расчётного, то есть ниже их проектной максимальной величины, происходит относительно быстрое уменьшение КПД.

Недостатки НТ можно минимизировать, если насос тщательно подобрать и применить в соответствующих условиях. При неэффективном использовании машины ее низкая производительность сведет на "нет" финансовое преимущество, полученное от низкой стоимости насоса.

Различия между насосами и турбинами

Насосы обычно работают с постоянной скоростью, напором и потоком. Насос разработан для работы с постоянными параметрами и не требует регулирующего приспособления, например, направляющей лопатки. Турбины функционируют в условиях переменного напора и потока. В малой ГЭС поток должен быть регулируемым, чтобы приспосабливаться к сезонным колебаниям водного ресурса или контролировать объем вырабатываемой электроэнергии согласно требованию потребителей. Поток регулируют поворотные направляющие лопатки и (или) рабочие лопасти (или сопла, управляемые клапаном).

Насосы, используемые в режиме турбины

Фактически, любой насос может использоваться как турбина. Однако, главное преимущество НТ - его низкая стоимость по сравнению с обычной турбиной - характерно, в первую очередь, для стандартных центробежных насосов, в то время как насосы осевого потока более дорогие и поэтому, соответственно, менее выгодны. Разнообразные конструкции насосов и широкий диапазон их выходных мощностей обеспечивает возможность использования НТ для напора от 10 м до нескольких сотен метров. Даже погружаемый в воду насос может использоваться как НТ.

Хотя НТ широко применяются для малых объектов гидроэнергетики, они не могут повсеместно замещать обычные турбины. Так как НТ не имеют устройства гидравлического контроля напора, они обычно не подходят для работы в условиях переменного потока. Дросселирование потока посредством контрольного клапана в турбине неэффективно и редко применяется.

Плунжерный насос

Плунжерный насос появился в начале ХХ века и был очень популярным у фермеров, имеющих источники воды на своей земле. С появлением сетевой электроэнергии и водных магистралей их применение резко сократилось. Тем не менее, это устройство даже сегодня является источником дешевой энергии. Плунжерные насосы не вырабатывают электроэнергию, они перекачивают воду на более высокий уровень, используя лишь давление воды. Никакой другой источник энергии не нужен. Плунжерные насосы не требуют дополнительного оборудования, специального обслуживания и условий.

Плунжерные насосы доказали свою надёжность: более 100 лет они используются, оставаясь одним из примеров практичных и эффективных технологий возобновляемой энергетики. Плунжерные насосы относительно дешевы, срок их эксплуатации почти неограничен. Для эффективной работы плунжерного насоса необходимо выполнение всего лишь двух условий: наличие источника воды (ручей или поток), обеспечивающего расход 4 литра в минуту и возможность обеспечения "падения" этой воды. Плунжерные насосы чаще всего используются для таких целей:

• водоснабжение небольших населенных пунктов;
• ирригация;
• подъем и циркуляция воды для промышленных установок;
• циркуляция воды для тепловых насосов;
• циркуляция воды для солнечных панелей.

Как работает плунжерный насос

В основе работы плунжерных насосов лежит циклический процесс. Цикличность осуществляется в результате работы двух клапанов насоса. Вода, поступившая в направляющую трубу, течёт по ней под действием гравитации, пока не достигает плунжера, затем проходит сквозь плунжер и под воздействием импульсного клапана сбрасывается в дренаж. Во время движения скорость потока возрастает до того момента, когда импульсный клапан не в состоянии больше пропускать поток, и в этот момент клапан внезапно закрывается. Выход, таким образом, перекрывается, течение воды останавливается, что, в свою очередь, вызывает колебания корпуса плунжера, размер которых соответствует высоте и расстоянию, пройденному потоком.

В результате этих колебаний плунжера часть воды в корпусе плунжера "выдавливается вверх" в воздушный цилиндр через нагнетательный клапан. В то же самое время механическая отдача позволяет импульсному клапану возвратиться к исходному положению. Выходное отверстие, таким образом, вновь открывается, и поток, ранее остановленный клапаном, возобновляет свое движение, пока не набирает скорость, необходимую для воздействия на клапан во второй раз, и т.д. Этот цикл повторяется от 40 до 90 раз в минуту, в зависимости от размера плунжера, падения водяного потока, и т.д. Плунжер может работать автоматически в течение нескольких месяцев, без сервисного вмешательства, так как единственными движущимися частями являются импульсный и нагнетательный клапана, изготовленные из резины.

Вода, выталкиваемая в воздушный цилиндр, попадает в напорную трубу и уже по ней поступает к вентилю. Водяной поток не прекращается в течение всего времени работы плунжера. Для того, чтобы поднять воду на высоту от 10 м до 15 м, высота, с которой происходит падение воды, необходимое для работы плунжера, может не превышать 0,5 м. Для подъема воды на уровень до 100 м, или для ее передачи по трубопроводу на расстояние до 1 км высота падения воды должна быть в диапазоне от 2 до 10 метров.

Сама по себе установка чрезвычайно проста. Все, что требуется - это источник воды, находящийся на месте предполагаемой установки. Дренажная труба идет от источника воды непосредственно к плунжеру. Труба должна быть большого сечения и изготовлена из нержавеющей стали или чугуна. Ее длина зависит от высоты, на которую вода должна закачиваться. Корпус плунжера может быть любым, наиболее важное условие - это правильно сделать бетонное основание, на котором крепится плунжер. На работу плунжера не влияют температурные изменения, в отличие от традиционных систем, когда при низких температурах система может покрыться льдом.

Принципы выбора места для установки малых ГЭС

Имея непосредственный доступ к источникам воды, многие люди не знают, какое количество энергии может быть выработано, используя этот источник воды. Почти любое место, где построен дом, имеет достаточный солнечный потенциал для установки ФЭБ. Во многих местах также можно использовать энергию ветра. Но наличие источника воды еще ничего не говорит о гидроэнергетическом потенциале данного места. Озеро или колодец не имеют никакого энергетического потенциала. Вода должна быть проточной. Множество факторов определяют целесообразность малой или микрогидросистемы, а именно:

• Количество энергии, которое возможно получить при использовании данного потока и его достаточность для удовлетворения энергопотребностей.
• Существующие правовые ограничения (местного или государственного уровня) на разработку гидроэнергетического потенциала данного места и на использование воды.
• Доступность турбин и генераторов необходимого типа и мощности.
• Стоимость разработки и обслуживания объекта.
• Стоимость одного квт·ч выработанной электроэнергии при передаче ее потребителям, в случае присоединения ГЭС к их энергосети.

Чтобы ответить на вопрос: "Есть ли у меня место, подходящее для использования гидроэнергетической технологии для выработки электроэнергии?", необходимо исследовать следующие факторы:

• Напор или высоту падения, которым располагает данный источник воды.
• Количество воды, доступное для генерирования электроэнергии.
• Длину трубы, которая будет соединять источник воды с ГЭС.
• Расстояние от ГЭС к аккумулятору, или, в случае генерирования электроэнергии с переменным током, непосредственно к источнику потребления.

По этим показателям можно определить не только целесообразность выработки электроэнергии в конкретном случае, но и ответить на следующие вопросы: какой диаметр трубы необходим, какой тип станции использовать, какая будет примерная производительность, и какие будут затраты.

Первый шаг в оценке целесообразности любой гидроэнергетической системы - определение мощности, которую может дать поток в данном месте.

Поток (расход) - это количество воды, протекающей через турбину. Обычно поток измеряется в кубических метрах за секунду - м3/с.

Напор - величина, характеризующая давление падающей воды в турбине, выраженная в метрах водяного столба. Это давление функционально зависит от вертикального расстояния, с которого вода падает, и характеристики канала или трубы, по которым она течет. Необходимо отличать напор от статического напора, который является разностью высот между горизонтом воды аванкамеры, отводящего канала, и собственно рабочего напора, который является фактическим давлением, оказываемым на турбину. Чтобы получить собственно рабочий напор, необходимо сделать поправки на потери в напорной и отводящей трубах. Статический напор может быть определен топографическим путем, используя уровень и рулетку. Напор выражается в метрах. Интенсивный расход и (или) напор означает большее количество полезной энергии. Чем выше напор, тем лучше, потому что меньшее количество воды понадобится для производства определенного количества энергии. Кроме того, могут использоваться меньшие по размеру и менее дорогостоящие турбины и трубопроводы.

С точки зрения гидроэнергетики, место можно классифицировать как "низко-" или "высоконапорное". Малый напор обычно относится к разнице высот менее 3 м. Вертикальное падение с высоты меньшей, чем 0,6 метра, сделает, вероятно, установку гидроэнергетической системы нецелесообразной. Большой расход воды может компенсировать малый напор, но тогда понадобится большая, а значит, и более дорогостоящая турбина. Довольно сложно найти турбину, эффективно работающую при очень малом напоре и небольшом расходе воды.

Конфигурация малых ГЭС

Малые гидротурбины могут быть сконфигурированы так, чтобы они могли функционировать эффективно в местах с широким диапазоном напоров и потоков. В случае микросистем с аккумуляторами правильная оценка источника воды может помочь в уменьшении размеров других компонентов системы, например, аккумуляторов. Размер батареи для ФЭС обычно выбирают таким, чтобы была возможность снабжать электричеством потребителей при отсутствии солнца на протяжении пяти облачных дней, в то время как малые гидросистемы обычно могут обеспечить аккумулированной энергией лишь один или два дня. Важно оценить гидроресурс во время дождливых и засушливых сезонов. Ответственностью каждого, использующего гидроресурсы, является правильная оценка влияния будущей ГЭС на экологию русла. Нужно понимать и учитывать все регулирующие или правовые ограничения, действующие в стране. Основное правило, действующее при строительстве ГЭС, следующее: отбирать не более 10 % минимального потока. Заметьте, что во многих странах строго регулируются вопросы, связанные с использованием, управлением и изменением потока. Любое изменение русла реки или берега может повлиять на качество воды или среду обитания живой природы, независимо от того, находится поток на частной территории или нет.

Определение напора

При определении напора необходимо учитывать полный ("статический") напор и рабочий ("динамический") напор. Полный напор - это вертикальное расстояние между вершиной подводящей трубы (труба, подводящая воду под давлением к турбине) и точкой, где вода освобождается из турбины. Рабочий напор - это полный напор минус давление или гидравлические потери, связанные с трением и явлением турбулентности в трубе. Эти потери зависят от типа, диаметра, длины трубы, количества изгибов и колен. Можно использовать полный напор для приблизительной оценки мощности, но для подсчёта действительной получаемой мощности необходимо использовать данные по рабочему напору. Существует несколько способов определения полного напора. Самая точная методика - профессиональное исследование местности. Если вы знаете, что высота падения воды равна нескольким десяткам метров, можно использовать авиационный высотомер - менее дорогой прибор, но и менее точный способ. В некоторых странах можно купить или арендовать высотомер в аэропорту или аэроклубе. Важно учитывать атмосферное давление и соответственно калибровать высотомер. Другой способ - использовать метод "шланга/трубы", описанный ниже.

Какой бы метод вы ни использовали, необходимо определить вертикальное расстояние между точкой вхождения воды в подводящую трубу и точкой выхода воды из турбины. Всегда соблюдайте технику безопасности при работе около или в потоке, особенно в узких или крутых руслах и быстрой проточной воде. Никогда не работайте в одиночку. Никогда не входите в воду, в которой не видно дна или не исследовав глубину водоема шестом.

Для определения напора методом "шланг/труба" вам нужен помощник. Кроме того, вам потребуется 6 - 9-метровый садовый шланг малого диаметра или другой гибкий трубопровод, раструб и измерительная линейка или мерная лента. Растяните шланг или трубу вниз по руслу реки от точки, которую вы определили как наиболее подходящую для трубчатого водозабора. Пусть ваш помощник держит входной патрубок шланга с раструбом под водой как можно ближе к поверхности воды. В это же время поднимайте находящийся ниже по течению конец шланга до тех пор, пока вода не перестанет литься из него. Измерьте вертикальное расстояние между вашим концом трубы и поверхностью воды. Это и будет величина статического напора для сечения потока на расстоянии между вами и вашим помощником.

Пусть ваш помощник подойдет к тому месту, где вы проводили измерения, и опустит в этом месте раструб в воду. Вы продолжайте идти вниз по течению и повторите процедуру измерения. Продолжайте измерения до точки, где планируется установка турбины. Суммирование результатов замеров даст приблизительное значение статического напора для вашего местоположения. Заметьте, что благодаря силе воды, втекающей во входной патрубок шланга, вода может продолжать литься сквозь шланг после того, как оба конца шланга находятся на одном уровне. Чтобы учесть это явление, вы можете вычесть несколько сантиметров из значений, полученных при каждом измерении. Во время проведения этих предварительных измерений нужно соблюдать меры безопасности.

Определение расхода воды

Окружающая среда и климатические условия, также как и вмешательство человека в районе водораздела, определяют ежедневные и сезонные характеристики потока. Водохранилище может контролировать расход, но если дамбы ещё не существует, ее постройка может значительно увеличить финансовые и юридические проблемы. Данные относительно водотока можно получить из местных учреждений или уполномоченных по снабжению водой и регулированию стока данного региона. Если такие данные получить невозможно, необходимо провести собственное исследование источника воды.

Если вы не планируете строить водохранилище, за основу для проектирования системы можно взять среднегодовые данные, отражающие самые низкие уровни скорости потока. Как альтернативу можно использовать среднестатистические данные в предполагаемые периоды максимальной потребности в электроэнергии. Эти данные могут совпасть или не совпасть с периодом самой низкой скорости потока. Могут иметься правовые ограничения на количество воды, которую можно расходовать в определённое время года. В таком случае, вы должны использовать это количество как основу для проектирования.

Измерение величины потока немного труднее. В первую очередь потому, что измерения нужно провести в нескольких местах. Это связано с тем, что большинство потоков "вбирает" воду по ходу движения. Поэтому выбор лучшего положения для вашей системы требует тщательного исследования. Существует несколько способов измерения расхода воды. Рассмотрим два из них. В обоих случаях вся вода должна пройти через трубу или плотину. Общий метод для измерения расхода воды в малых потоках - метод "ведра". Он заключается в том, чтобы запрудить поток брёвнами или досками и отклонить его по направлению к ведру или в другую емкость. Этот метод является самым простым для измерения расхода воды при значениях меньше 5 л/сек.

Подобный расход воды обеспечивает работу большинства малых гидросистем. Итак, как указывалось ранее, необходимо построить временную дамбу, затем приладить короткую трубу, с достаточно большим диаметром для того, чтобы управлять всей водой в дамбе, которую вы планируете использовать для генерирования электроэнергии. Используя ведро известной емкости и секундомер, можно подсчитать время, которое требуется для наполнения ведра. Процедуру нужно повторить несколько раз, чтобы удостовериться в точности результатов. Время, необходимое для наполнения ведра и есть расход воды. Например, если 20-литровое ведро наполнилось за одну минуту, то расход воды составляет 20 литров в минуту.

Можно также использовать другой метод грубой оценки потока. Для проведения исследований этим методом нужно перейти реку вброд. Не используйте этот метод, если поток быстрый, а глубина водоема выше пояса, так как вы можете потерять равновесие и утонуть. Никогда не входите в реку или ручей, если не видно дна! Всегда проверяйте глубину и рельеф дна шестом прежде, чем войти в воду. Для выполнения измерений этим методом, вам потребуется помощник. Из инструментов необходимо взять рулетку, измерительную линейку или калиброванный шест, тяжелый поплавок (пластиковая бутылка, наполовину заполненная водой), секундомер и немного миллиметровой бумаги. Начните с вычисления площади поперечного сечения потока во время самого низкого расхода воды.

Чтобы сделать это, выберите участок реки с прямым руслом и максимально одинаковой глубиной и шириной. В самой узкой точке этого участка измерьте ширину потока. Затем с измерительным шестом пройдите поперек потока и измерьте глубину с интервалом 30 см. Убедитесь, что держите измерительный шест вертикально. Для удобства можно растянуть поперек потока струну или веревку, на которой отмечены необходимые интервалы. Отметьте эти глубины на миллиметровке. Таким образом, вы получите профильное сечение потока. Определите площадь каждого квадрата профильного сечения потока, вычисляя площади прямоугольников и треугольников в каждом сечении. Просуммируйте все полученные значения для получения общей площади.

Затем определите скорость потока. От точки, где вы измерили ширину, отмеряйте 10 м вверх по течению и отпустите поплавок на середину потока. Точно засеките время, которое потребуется поплавку, чтобы пройти расстояние между двумя точками. Проследите, чтобы поплавок не ударялся или не тянулся по дну. Если это происходит, используйте поплавок меньший по размеру. Разделив расстояние между двумя точками на время прохождения его поплавком (в секундах), вы получите скорость потока в метрах за секунду. Повторите эту процедуру несколько раз, чтобы получить среднее значение. Чем большее количество замеров вы сделаете, тем более точный результат получится. Если поплавок застревает, начинайте сначала, иначе полученные результаты будут очень неточными. Умножьте среднюю скорость на площадь поперечного сечения потока. Полученную величину умножьте на коэффициент, который учитывает шероховатости дна реки (0.8 для песчаного дна, 0.7 для каменистого дна с мелкими камнями и 0.6 для дна с крупными камнями).В результате получится расход в кубических метрах за секунду.

Учтите, что эта величина будет отражать расход именно во время измерения. Нужно повторить процедуру несколько раз во время сезона, когда поток небольшой, чтобы более точно оценить средний расход низкой воды. Нет необходимости измерять глубину каждый раз. Достаточно измерить глубину воды выше или ниже того уровня воды, когда вы впервые проводили измерения, и вычислить площадь для большего или меньшего количества воды, прибавить или вычесть это значение от базовой площади поперечного сечения.

Можно также на берегу установить отметку уровня воды при помощи калиброванного шеста или столбика, и тогда вы будете легко определять уровень воды и вычислять площадь поперечного сечения потока. Однако процедуру определения скорости потока нужно в любом случае повторять каждый раз.

Возможно, вы сможете откорректировать данные, полученные в результате измерений, с помощью данных о выпадении осадков в данной местности в течение длительного срока или данных о потоках близлежащих рек.

Помните, что, независимо от полученной величины расхода, вы можете законно использовать только некоторое количество потока! Также попытайтесь определить, существуют ли планы по разработке или изменению ландшафта вверх по течению от планируемого места установки ГЭС. Лесозаготовки, к примеру, могут значительно изменять водоток.

Потери в системах трубопровода

Необходимо учитывать потери в системе трубопровода, вызванные шероховатостью стенок трубы и крепежа, которые приводят к необратимому преобразованию энергии текущей жидкости в теплоту. Различают две формы потерь: потери из-за трения и местные потери. Потери из-за трения происходят из-за напряжений сдвига между смежными слоями воды, скользящими друг по другу с различной скоростью. Самый тонкий из водяных слоев, касающийся стенки трубы, не двигается, а скорость каждого слоя по концентрической окружности увеличивается к центру трубы.

Если частицы жидкости передвигаются гладкими слоями, поток называют ламинарным или вязким. В инженерной практике поток в трубопроводе обычно является турбулентным, то есть частицы движутся беспорядочно и с переменной скоростью. Важно использовать трубопровод достаточного диаметра, чтобы минимизировать потери на трение от движущейся воды. Желательно, чтобы трубопровод был закопан в землю, так как это снижает вибрацию трубы.

Местные потери возникают при изменении размеров поперечных сечений в клапанах и в изгибах труб. Эти потери иногда считают незначительными, поскольку в длинном трубопроводе их влияние может быть относительно малым по сравнению с потерями из-за трения.

Определение мощности

И напор, и поток играют важную роль для выработки электроэнергии. Даже расход нескольких литров воды в секунду может быть полезен, если имеется достаточный напор.

Так как мощность равна произведению величины напора на величину потока, следовательно, чем больше обе величины, тем большее количество энергии можно выработать.

Чтобы вычислить полезную мощность, нужно также учитывать потери напора из-за жидкостного трения в трубопроводах и коэффициент полезного действия (КПД) используемых машин. Простая формула для потенциально вырабатываемой мощности выглядит следующим образом:

Мощность (кВт) = Напор (м) x Расход (т/с) x Ускорение свободного падения (9,81) x КПД (0,6)

где
Напор = рабочий напор = статический напор - потери (м);
общий КПД был установлен в размере 60%.

Для малых мощностей, в первом приближении, формула может быть упрощена:

Мощность (Вт) = Напор (м) x Расход (л/сек) : 2

Здесь общий КПД принимается за 50 %. Тем не менее, нужно относиться с осторожностью к эмпирическим вычислениям.

Значения КПД в пределах 50-60% (включая КПД турбины и генератора), которые были выбраны для вышеупомянутых уравнений, зависят от рабочих условий (напора и потока). Вообще, малонапорные тихоходные водяные колеса менее эффективны, чем скоростные высоконапорные турбины. Общий КПД системы может варьироваться между 40 % и 70 %. Хорошо спроектированная система достигает среднего КПД 75 %. Изготовители турбины должны обеспечить максимально возможную выходную мощность для турбины, исходя из вашего напора и расхода. Также будут присутствовать "линейные" потери в электропроводах, передающих электроэнергию от генератора до места потребления.

Аккумулятора для накапливания электроэнергии и турбины/генератора, мощностью 500 Вт (12 кВт·ч в день), будет достаточно для освещения небольшого здания, обеспечения работы холодильника, телевизора и других бытовых приборов. Помните, что экономное использование энергии и применение энергосберегающих приборов может значительно понизить энергопотребление.

Рассчитать ежегодное производство электроэнергии (E) можно по формуле:

E (кВт·ч) = Мощность (кВт) x Время (час)

где "время" - число часов эксплуатации в году. В большинстве случаев предполагается 5000 часов.

ДЛЯ СПРАВКИ

В типичной малой ГЭС каждый литр в секунду (0.001 м3/с) воды, падающей с высоты 1 метр, может выработать 20 - 30 кВт·ч электроэнергии ежегодно.

Переводные коэффициенты

Вот некоторые из переводных коэффициентов, которые Вам могут потребоваться при оценке мощности ГЭС:

• 1 кубический фут (cf) = 7,48 галлонов;
• 1 кубический фут в секунду (cfs) = 448,8 галлонов в минуту (gpm);
• 1 дюйм = 2,54 сантиметра; 1 фут = 0,3048 метра;
• 1 метр = 3,28 футов; 1 cf = 0,028 кубических метров; 1 м3 = 35,3 cf;
• 1 галлон = 3,785 литра; 1 cf = 28.31 литров; 1 cfs = 1698,7 литров в минуту;
• 1 кубический метр в секунду (м3/с) = 15842 gpm;
• 1 фунт на квадратный дюйм (пси) давления = 2,31 фута (напора) воды;
• 1 фунт (lb) = 0,454 килограммов;
• 1 кг = 2,205 фунта;
• 1 киловатт (кВт) = 1,34 лошадиных сил; 1 л.с. = 746 Ватт.

9. Энергия океанов

Океаны издавна считались потенциальным источником энергии. Приливы, течения и волны производят механическую энергию. Эту энергию с помощью различных технологий можно преобразовывать в электроэнергию.

Энергия приливов и отливов

Приливы и отливы отличаются от всех других источников энергии тем, что в данном случае речь идет о потенциальной и кинетической энергии системы " Земля - Луна - Солнце ". Как известно, приливы и отливы океанов возникают благодаря влиянию Луны на Землю. При этом изменяется уровень морских вод вдоль береговой линии всех континентов. Поскольку уровень воды колеблется дважды в день, она поочередно "заполняет" и "освобождает" часть территории побережья, образуя, таким образом, естественные бассейны. Потоки, вытекающие из этих бассейнов, могли бы использоваться для приведения в движение гидротурбин, соединённых с генераторами, вырабатывающими электроэнергию. Чем выше приливы, тем большее количество электроэнергии может быть выработано в данном месте. Технология, использующая этот источник энергии, похожа на гидроэнергетическую технологию при малом напоре.

Потенциал

Мировой потенциал энергии приливов и отливов оценивается в размере около 3000 ГВт. Эксперты считают, что только 2 % или 60 ГВт может быть использовано для выработки электроэнергии. В настоящее время считается экономически целесообразным выработка электроэнергии за счет приливов и отливов только в местах с их амплитудой более 5 м.

В некоторых регионах использование энергии приливов и отливов является достаточно привлекательным, особенно для береговых областей и в дельтах рек, где амплитуда приливов и отливов обычно выше средней. Такие условия обнаружены, например, в Канаде, где средняя амплитуда приливов и отливов равняется 10,8 м, а также в устье реки Северн в Англии, где средний показатель амплитуды достигает 8,8 м. Крупномасштабные проекты в этих местах были бы экономически выгодными.

Развитие

За последние сорок лет интерес к использованию энергии приливов и отливов постоянно возрастал. Первоначально внимание ученых было сконцентрировано в основном на устьях рек, где большие объемы воды с большой скоростью проходят через узкие каналы. Инженеры считали, что, блокируя устья рек плотиной и заставляя воду проходить через турбины, можно было бы эффективно генерировать электроэнергию. С технической точки зрения они были правы. Но большой экологический вред от таких проектов был очевиден.

Сегодня существует три промышленных электростанции, работающих за счет энергии приливов и отливов: 240 MВт-ная станция, которая была построена в устье реки Ла Ранс около Сен-Мало (Франция) в 1967 г., 1 МВт-ная станция на Белом море в России, законченная в 1969 г. и 16 MВт-ная станция в Новой Шотландии (Канада). Проблемы, связанные с окружающей средой, остановили дальнейшее развитие технологии, основанной на заграждении устья реки.

Приливная станция на реке Ла Ранс

Электростанция на реке Ла Ранс имеет турбины, которые могут также работать в режиме насосов; таким образом, установка может функционировать как насосно-аккумулирующая станция для выравнивания нагрузки в сети. Вода, закачиваемая в резервуар в периоды низкого потребления электроэнергии, увеличивает напор на турбинах в периоды пиковой нагрузки в сети. Амплитуда приливов и отливов в устье реки Ла Ранс достигает 13,4 м. Ширина дамбы составляет 760 м. При высоком уровне воды дамба "захватывает" воды Атлантики в заливе. При низком уровне вода течёт назад к морю. По пути вода проходит через 24 турбины, соединённые с генераторами установленной мощностью 240 МВт. Вырабатываемой электроэнергии достаточно для энергообеспечения города с населением в 300 000 человек.

Технология

В основе традиционной технологии, основанной на заграждении канала устья реки, лежит следующий принцип: вода накапливается во время приливов, а в периоды отливов ее сбрасывают для работы гидротурбины. Эта методика предусматривает создание заграждения (невысокой дамбы) для ограждения территории устья реки, попадающей под приливы, позволяя приливному потоку аккумулироваться на океанской стороне дамбы. Генерирование энергии происходит в течение нескольких часов во время высокого уровня воды. Таким образом работает и электростанция на Ла Ранс. После того, как уровень воды достигает максимальной отметки, запорные клапаны закрываются.

Запруженная вода спускается во время отлива. Затворы открываются или закрываются в соответствии с приливами, разрешающими течение воды только при напоре, необходимом для вращения турбин. Основная технология выработки электроэнергии подобна гидроэнергетической технологии при малом напоре, т.е. вода проходит через турбогенераторы под действием напора. Главное отличие этой технологии, помимо постоянного нахождения турбин в соленой воде, состоит в следующем. Турбины электростанции, работающей на приливах и отливах, должны работать при регулярно изменяющемся напоре воды, что влияет на коэффициент использования установленной мощности. Эти электростанции могут вырабатывать приблизительно одну третью часть электроэнергии, вырабатываемой ГЭС такой же установленной мощности.

Экологические проблемы

Для увеличения выработки электроэнергии необходимо увеличивать размеры заграждений, блокирующих канал устья реки. С увеличением размера водоема возрастает отрицательное влияние на экологию данного региона. В частности, блокируется навигация; возникает препятствие для миграции рыбы; рыба погибает, проходя через турбины; изменяется локализация и природа приливно-отливной зоны; изменяется режим приливов и отливов в нижнем течении реки; уничтожается среда обитания птиц, живущих в мелководье; осадок, скопившийся позади заграждения, может уменьшить объем устья реки.

Турбины, работающие за счет течений приливов и отливов

В начале 90-х годов ХХ века интерес к электростанциям, работающим в устьях рек, упал. Ученые и инженеры начали изучать возможность использования береговых течений для производства электроэнергии. Вместо использования дорогостоящих заграждений и гидротурбин малого напора, более перспективным выглядит использование кинетической энергии быстрых приливных течений. При этом применяются относительно простые машины: турбины, работающие за счет течений приливов и отливов. Во многих местах, благодаря рельефу морского дна, вода течет сквозь узкие каналы или вокруг подводных скал, подобно ветру, проносящемуся над равнинами и вокруг холмов. Однако морская вода имеет намного более высокую плотность по сравнению с плотностью воздуха (в 832 раза выше). Поэтому потоки, текущие со скоростью 9,25 - 16,7 км/ч, имеют такой же энергетический потенциал, как ветер при скорости 390 км/ч! Кроме того, в отличие от ветра, прибрежные потоки приливов предсказуемы. Периоды приливов и отливов меняются каждые двенадцать часов, образуя водные потоки, достигающие максимальной скорости четыре раза в день.

Технология с использованием турбин, работающих за счет течений приливов и отливов, является главным "конкурентом" технологии заграждений. Однако стоит отметить, что эта технология находится еще в стадии развития. Похожие на подводные ветротурбины, работающие за счет течений приливов и отливов турбины имеют целый ряд преимуществ по сравнению с заграждениями. Они менее разрушительны для живой природы, позволяют малым судам плавать беспрепятственно и требуют меньших материальных затрат, чем строительство дамбы. Работа таких турбин эффективна при наличии береговых потоков, имеющих скорость 2-3 м/с. Использование более слабых потоков экономически нецелесообразно, а более сильные потоки могут повредить оборудование. При наличии потока скоростью 2-3 м/с турбина диаметром 20 м произведет такое же количество энергии, как ВЭУ с лопастями диаметром 60 м. Преимущество этой турбины состоит также в том, что её не видно и не слышно, так как весь агрегат (кроме трансформатора) находится ниже поверхности воды.

В мире существует много регионов, где использование этой технологии было бы экономически выгодным. Самые сильные прибрежные потоки обнаружены на границах мировых океанов. Потенциал этого энергетического ресурса оценивается экспертами в более чем 330 000 MВт. Юго-Восточная Азия, в частности, побережье Китая и Японии - это те территории, где течения приливов и отливов могли бы эффективно использоваться для выработки электроэнергии.

Идеальное месторасположение для такой установки - участок, расположенный недалеко от берега на глубине примерно 30м, где при оптимальных скоростях подводных течений можно было бы производить более чем 10 МВт·ч электроэнергии на км2. Эксперты ЕС уже определили 106 мест, подходящих для установки турбин, работающих за счет течений приливов и отливов; 42 из них - в прибрежной зоне Великобритании. Ожидается, что цена энергии, выработанной этими турбинами, будет на уровне 0,10 доллара США за 1 кВт·ч. Это дороже, чем электроэнергия, полученная за счет традиционных источников энергии (уголь, газ), но значительно ниже стоимости электроэнергии, которую потребляют жители островов. По мере дальнейшего развития технологии стоимость электроэнергии, вероятно, будет понижаться.

Энергия волн

Волны образуются благодаря ветру, который дует вдоль океанской поверхности. Вся энергия концентрируется вблизи поверхности воды в слое не толще 50 метров. Благодаря этому, океанская волна является высоко сконцентрированным источником энергии, менее подверженным почасовым и ежедневным изменениям, чем другие возобновляемые источники энергии, например, ветер или солнце.

Волны проходят большие расстояния и действуют как эффективный механизм "транспортировки энергии" на тысячи километров. Волны, возникающие во время шторма в центральной части Атлантического океана, доходят до побережья Европы без значительных энергетических потерь.

Использование энергии волн может внести значительный вклад в мировое производство и обеспечение электроэнергией при условии, что будет разработан экономически обоснованный способ извлечения этой энергии. Максимальная концентрация энергии волн находится в областях, подверженных самым сильным ветрам, т.е. между широтами 40о и 60о на восточных побережьях океанов Северного и Южного полушарий.

Технологии

Волновые установки "извлекают" энергию волн и преобразовывают ее в электроэнергию. Эти установки бывают разных типов: пьезокварцевые преобразователи, входные сужающиеся каналы и морские грейферные ковши. В частности, морские грейферные ковши используют движение волны, заставляя воздух проходить между лопастями, расположенными по периметру круглой плавучей установки. Воздух проходит сквозь воздушные турбины, которые вращают вал, соединённый с электрическим генератором.

Европа, в особенности Великобритания, проявляет большой интерес к развитию технологий, основанных на использовании энергии волн. Согласно недавно проведенным исследованиям, сейчас существуют установки, которые могут вырабатывать электроэнергию по цене ниже 0,10 доллара США за 1 кВт·ч, при которой производство электроэнергии становится экономически целесообразным. Наиболее эффективное из созданных на сегодняшний день устройств, "Утка Салтера", может вырабатывать электроэнергию по цене менее 0,05 доллара США за 1 кВт·ч. "Утка Салтера" была изобретена в 70-х годах ХХ века профессором Стивеном Салтером в Университете Эдинбурга (Шотландия). Хотя устройство работает достаточно эффективно, проект был практически закрыт в середине 80-х из-за того, что в отчете ЕС цена выработанной электроэнергии с помощью такой технологии была ошибочно оценена в 10 раз выше реальной. Сейчас допущенная ошибка обнаружена, и интерес к устройству Салтера снова возрастает.

Грейферный ковш - другое устройство, которое, подобно "Утке," может генерировать энергию, "используя" колебания морской воды. Грейферный ковш - устройство с шестью воздушными подушками, установленными вокруг полого круглого столба. При ударе волн о конструкцию, воздух "выдавливается" между шестью подушками через полый столб, который оборудован самонастраивающимися турбинами. Даже при учете затрат на кабель, соединяющий устройство с берегом, подсчитано, что грейферный ковш может вырабатывать электроэнергию по цене около 0,06 доллара США за 1 кВт·ч.

Могучий кит

В июле 1998 года Центр морской науки и технологии Японии начал работу по проекту самой большой в мире морской силовой установки, полноразмерный прототип которой был протестирован в 2000 году.

Это плавучее устройство получило название "Могучий Кит". Установка длиной 50 м и шириной 30 м использует волны Тихого океана для привода трёх воздушных турбин (одна номинальной мощностью 50 кВт + 10 кВт и две по 30 кВт), установленных на бортовой платформе.

После того, как прототип установки был отбуксирован к месту швартовки приблизительно в 1,5 км от выхода из залива Гокашо, он был поставлен на якорь (приблизительно на 40-метровой глубине) шестью тросами; четыре троса по направлению к морю и два - на подветренной стороне. По своей прочности тросы рассчитаны на тайфун, а сама установка может выдерживать 8-метровые волны. "Могучий Кит" преобразует энергию волны в электроэнергию, используя колеблющиеся водяные столбы для привода воздушных турбин. Волны, попадающие внутрь и вытекающие из воздушных камер, расположенных у входного отверстия, заставляют уровень воды в камерах повышаться и понижаться. Под воздействием воды воздух входит или выходит из камер сквозь сопла в верхней части.

В результате высокоскоростные потоки воздуха вращают воздушные турбины, которые приводят в действие генераторы. "Могучим Китом" можно управлять дистанционно с берега. В демонстрационном проекте выработанная электроэнергия главным образом используется для питания бортовых приборов; любой ее избыток аккумулируется на батареях. Предохранительный клапан защищает воздушные турбины от разрушения при штормовой погоде, перекрывая поток воздуха, если скорость вращения турбин превышает определённый уровень.

"Могучий Кит" непосредственно может быть использован как метеостанция, как временное место швартовки для малых судов или как платформа для ловли рыбы.

10. Заключение

В настоящее время технология, основанная на использовании энергии приливов и отливов, как и технология, использующая энергию волн, находятся еще в стадии исследований. На сегодняшний день обе эти технологии пока не являются экономически целесообразными по сравнению с традиционными. Кроме того, ни одна из них не обеспечивает стабильное производство электроэнергии.

Сегодня энергия волн успешно используется в маломасштабных установках, генерирующих электроэнергию для освещения маяков или навигационных бакенов.

В настоящее время технология, основанная на использовании энергии приливов и отливов, как и технология, использующая энергию волн, находятся все еще на стадии исследований. На сегодняшний день обе эти технологии пока не являются экономически целесообразными по сравнению с традиционными. Кроме того, ни одна из них не обеспечивает стабильное производство электроэнергии.

11. Вопросы для усвоения пройдённого материала

• Где установлена наибольшая в мире действующая ГЭС, какова мощность этой станции?
• Какова мощность ГЭС "Плотина трех ущелий", строящейся в Китае?
• Какие экологические проблемы связаны со строительством больших ГЭС?
• Каким образом строительство крупной ГЭС влияет на социальное развитие региона?
• Назовите основные параметры, учитывающиеся при оценке гидроэнергетического потенциала реки.
• Опишите принцип работы гидроаккумулирующих электростанций, ее преимущества.
• В чем состоит основное различие между турбиной Пелтона и турбиной Френсиса?
• В чем состоят преимущества малой гидроэнергетики по сравнению с большой?
• Как влияет естественный уровень воды в реке на работу малой ГЭС и почему?
• В какой из развивающихся стран широко распространены миниатюрные турбогенераторы?
• На какой период времени рассчитана работа малой ГЭС?
• В случае, когда в наличии нет нужной турбины для малой ГЭС или ее стоимость очень высока, чем ее можно заменить?
• В чем разница между ГЭС и плунжерным насосом?
• На какой максимальный уровень можно поднять воду, используя плунжерный насос?
• Какой объем производства электроэнергии можно ожидать от ГЭС, установленной в месте с напором воды 20 м и расходом 0,5 м3/с?
• Как влияет диаметр трубопровода на эффективность работы ГЭС?
• Для чего используются аккумуляторы в микро или нано гидросистемах?
• Каким образом можно использовать океаны для производства энергии?
• Где находится наибольшая в мире ГЭС, работающая за счет приливов и отливов?
• Почему дальнейшее строительство заградительных ГЭС, работающих за счет приливов и отливов, было остановлено?

Следующей модуль