Енергія води

1. Вступ

Кругообіг води у природі відбувається завдяки активності Сонця, внаслідок чого вода випаровується з океанів, морів та інших водних поверхонь, формує хмари, випадає у вигляді дощу чи снігу та потрапляє назад до океану. Енергія цього круговороту, що рухається Сонцем, найбільш ефективно використовується в гідроенергетиці. Використання води для отримання механічної енергії – досить стара практика. Струмінь води приводить в рух лопаті і може обертати їх зі швидкістю, необхідною для виробництва електроенергії. Кількість енергії, що виробляється за рахунок води, визначається перепадом висот.

До інших методів застосування енергії води відноситься використання енергії хвиль, припливів та відливів, а також різниці температур води в океані. Хвилі - безпосередній результат дії вітру, який виникає завдяки нерівномірному нагріванню землі та води Сонцем. З кількох типів гідроенергії тільки походження припливів не пов'язане з Сонцем. Гравітаційне поле Місяця є причиною припливів, величина яких залежить від широти та географії місця.

Загалом, енергія, ув'язнена у кругообігу води та морських хвилях величезна, але використання цієї енергії є досить важким. Найбільш поширеним способом застосування енергії води є традиційна гідроенергетика, тобто. технологія, що дозволяє виробляти електроенергію за рахунок падаючої води. До важливих переваг гідроенергетики можна віднести здатність до швидкого відновлення власних ресурсів, відсутність забруднюючих викидів в атмосферу, можливість швидко регулювати навантаження в мережі, низька вартість виробництва електроенергії. У ході виконання гідроенергетичних проектів також здійснюється рекреація води в резервуарах або каналах, що відводять нижче дамб. До недоліків великої гідроенергетики відносяться великі капіталовкладення у будівництво гідроелектростанцій (ГЕС), а також шкода, яка завдається навколишньому середовищу в процесі будівництва та експлуатації ГЕС.

Історія

Прості водяні колеса застосовувалися вже в давнину для полегшення важкої ручної праці людини. Енергія води була, мабуть, вперше згадана давніми приблизно 4000 року до зв. е. Греки використовували водяні млини для перемелювання пшениці на борошно. З винаходом водяної турбіни на початку 19 століття використання енергії води стало значно простішим і поширенішим. Енергія води була швидко пристосована до виконання механічних робіт, таких як перемелювання зерна, обертання генератора для виробництва електрики. У багатьох регіонах Європи та Північної Америки невдовзі виникли й перші промислові установки на водяних турбінах.

У період, коли доступ до дешевої нафти по всьому світу став можливим, інтерес до гідроенергетики було втрачено на довгі роки, але зараз ситуація знову змінюється. Постійно зростаючий інтерес до гідроенергетики, який виявляють уряди, політики, фондові та кредитні організації, інститути та окремі люди, призвів до того, що багато проектів, які раніше вважалися нездійсненними, переглядаються, визначаються нові місця під будівництво ГЕС.

2. Гідроелектростанції (ГЕС)

Для комунальних господарств найбільш привабливою серед поновлюваних джерел енергії є електроенергія, отримана за рахунок використання води; її економічна доцільність успішно доведена. Було побудовано ГЕС потужністю до 10 ГВт. Але якщо порівнювати оцінку вчених щодо існуючих у світі економічних ресурсів задля досягнення сумарної встановленої потужності ГЕС 3 000 ГВт, і цифру 10 000 ГВт, що характеризує споживання енергії по всьому світу, видно, що зроблено ще досить мало. У Європі, до речі, основний гідроенергетичний потенціал вже реалізовано: 98% споживаної енергії в Норвегії виробляється за рахунок гідроенергетики, а уряд Німеччини заявив, що в країні вже немає більше місць для розміщення ГЕС. Розглядаючи світове поширення гідроенергетики, можна відзначити, що сьогодні вже задіяно близько 10% існуючих гідроресурсів. Великий потенціал для розвитку гідроенергетики мають країни Азії та Африки.

Світове споживання енергії води

Наразі у світі встановлено ГЕС сумарною потужністю 630 000 МВт. Ці дані неточні, оскільки внесок від малих гідроелектростанцій та приватних систем важко підрахувати, але передбачається, що ці джерела енергії можуть додати лише кілька відсотків до основного показника. Річне світове виробництво електроенергії - 2200 млрд кВт·год; це означає, що ГЕС працюють на 40% своєї потужності.

Найбільший гідроенергетичний комплекс у світі знаходиться на річці Парана між Парагваєм та Бразилією. Він називається Дамба Ітаїпу, а сумарна потужність його 18 турбін складає 12 600 МВт. Використання енергії води стає дедалі популярнішим у багатьох регіонах світу. Наприклад, у Китаї та Індії очікується різке зростання розвитку гідроенергетики. У 1999 році Китай ввів до ладу гідроелектростанцію Ертан потужністю 3300 МВт, що складається з шести турбін по 550 МВт кожна. Ертан є другою за величиною в Азії ГЕС і є найбільшим виробником електроенергії в Китаї.

Гідроелектростанції, які зараз будуються в Китаї, мають сумарну встановлену потужність 32000 МВт. В Індії 12 великомасштабних проектів, кожен з 3700 МВт встановленої потужності, отримали схвалення уряду. Будівництво найбільшої у світі ГЕС - "Греблі трьох ущелин" у Китаї, встановленої потужністю 18.2 ГВт - увійшло в другу стадію проекту, розпочатого в 1998 році. Хоча зведення дамби було тимчасово відкладено у серпні 1998 року через велику повінь на річці Янцзи, другий етап планувався до завершення 2003 року.

Третій етап має закінчитися у 2009 році, коли станція почне працювати на повну потужність. Близько 3,7 млрд. доларів США вже витрачено на будівництво "Дамби трьох ущелин", включаючи витрати, пов'язані з роботами з дренажу будівельного майданчика через розлив Янцзи. По завершенню будівництва довжина греблі буде 2 км, висота – 200 метрів, а довжина водосховища – 550 км. Офіційні особи Китаю оцінюють первісну вартість проекту у 25 млрд доларів США.

Будівництво "Дамби трьох ущелин" було предметом довгих суперечок. Природні та соціальні проблеми, пов'язані з будівництвом, величезні. Забруднення води в Янцзи подвоїться, оскільки дамба "затримуватиме" близько 50 видів забруднюючих речовин, що надходять у воду від гірничодобувної промисловості, фабрик та населених пунктів. Раніше всі ці забруднюючі речовини змивалися в морі сильною течією річки.

Важкий мул відкладеться у верхній течії річки (перед греблею) і засмітить річкові канали Чонгіньга. Від 1,1 до 1,9 млн осіб буде переселено для звільнення території під водосховище. Близько 1300 місць, які мають археологічну цінність, виявляться або затопленими, або перенесеними до інших районів. Деякі зникаючі види флори і фауни будуть також схильні до небезпеки. 1996 року Експортно-Імпортний Банк США відмовився давати кредити американським компаніям, які збираються працювати над проектом китайської греблі, посилаючись на екологічні проблеми.

Завершується будівництво напірно-насосної станції в Тибеті на озері Ямжо Юмко. Тибетська станція, що будується на висоті від 4000 до 5000 м над рівнем моря, є високогірною станцією у світі. 1997 року Китай оголосив про плани будівництва гідроелектростанції продуктивністю 40 000 МВт·год на рік на частині Тибету річки Брахмапутра.

Багато країн Центральної та Південної Америки покладають серйозні надії на гідроенергетику щодо забезпечення їхніх енергетичних потреб. У Бразилії 1996 року сумарна встановлена ​​потужність енергогенеруючих об'єктів становила 59 000 МВт, причому частку ГЕС припадало 86%. У таких країнах, як Чилі, Колумбія, Парагвай, Перу та Венесуела на частку ГЕС припадає до 50% і більше від загальної встановленої потужності енергогенеруючих об'єктів. Хоча більша частина гідроенергетичних ресурсів регіону вже задіяна, існують плани щодо суттєвого нарощування гідроенергетичних потужностей у найближчому майбутньому.

У Бразилії ГЕС, що будуються або плануються до будівництва, налічується більше, ніж у будь-якій іншій країні Центральної та Південної Америки. У вересні 1997 року остання турбіна була встановлена ​​на 3 000 МВт-ної греблі Ксінго на річці Сан-Франциско в Піранхасі. Вартість проекту склала 3,1 млрд. доларів США. До інших великих ГЕС, нещодавно побудованих у Бразилії, відноситься ГЕС Іта (2000 р) потужністю 1450 МВт і ГЕС Мачадіньо - 1140 МВт. Обидві станції розташовані на річці Уругвай. Нарешті, існують плани, розроблені спільно Бразилією та Парагваєм, щодо збільшення потужності 12 600 МВт-ної греблі Ітаїпу. Потужність ГЕС буде збільшена на 1 400 МВт, а витрати становитимуть 200 млн доларів.

ІТАІПУ - найбільша у світі ГЕС

Потенціал гідроенергетики

Існують два головні фактори, які визначають енергетичний потенціал: витрата води за одиницю часу та висота падіння води по вертикалі. Верхня точка, з якої падає вода - вершина - може бути природною завдяки топографічному розташування або може бути створена штучно за допомогою дамб. Цей принцип залишається незмінним. Інший фактор - витрата води - прямий результат інтенсивності, поширення та тривалості дощових опадів. Він також залежить від прямого пароутворення, випаровування, інфільтрації в землю, площі басейну річки та ґрунту. Річки є частиною процесу кругообігу води в природі, "керованого" сонцем. Вода випаровується з поверхні світового океану в атмосферу, потім випадає у вигляді опадів на Землю, після чого різними наземними та підземними потоками знову "повертається" в океан.

Світовий потенціал гідроенергетики можна оцінити за допомогою підсумовування всіх річкових стоків, існуючих Землі. Результати показують, що цей сумарний потенціал, що досягає 50 000 млрд кВт·год на рік, становить лише чверть від кількості опадів, що випадають у світі, але перевищує більш ніж у чотири рази сумарне річне виробництво всіх існуючих у світі електростанцій. Ґрунтуючись на місцевих умовах та стані світових річок, реальний потенціал світового водного ресурсу знаходиться в інтервалі 2 - 3 млрд кВт, що відповідає річному виробленню енергії в 10 000 - 20 000 млрд кВт · год (згідно з даними ООН за 1992р.). Залишається важливим питання: яку кількість цього потенціалу ми можемо дозволити собі використати (див. розділ з питань, пов'язаних із навколишнім середовищем)?

Теоретичний щорічний потенціал виробництва в 10 000 млрд кВт·год електроенергії означає, що для виробництва такої ж кількості електроенергії на теплоелектростанціях, що працюють на нафті, потрібно було б приблизно 40 млн барелів нафти на день.

Вартість

Завдяки низьким витратам та конкурентоспроможній ціні за електроенергію, вироблену на ГЕС, гідроелектростанції є дуже привабливим бізнесом для інвесторів. Крім того, термін експлуатації ГЕС набагато перевищує термін служби енергогенеруючих станцій, що працюють на викопному паливі. Існують ГЕС, які перебувають в експлуатації майже 100 років.

3. Проблеми гідроенергетики

Основною причиною того, що ГЕС не будують повсюдно, є висока вартість їхнього будівництва, а також наявність великих водних ресурсів у відносній близькості до населених пунктів. До інших проблем, пов'язаних із будівництвом ГЕС, належать: вплив дамб на річкові екосистеми та соціальні проблеми, зокрема, пов'язані з переселенням мешканців.

Вплив гідроенергетики на екологію

Русло річки - екологічна система, де зміни в межах одного компонента можуть спричинити ланцюгову реакцію. Наприклад, зміни у витраті води можуть впливати на якість води та ситуацію з рибою нижче за течією. Бар'єри греблі можуть істотно змінювати умови існування риби. Крім того, окрім появи нового водосховища або збільшення розмірів старого, побудована дамба може блокувати міграційні шляхи риби.

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.

Седиментація, що відбувається у водосховищі, часто призводить до підвищеної ерозії землі вниз за течією, що у свою чергу збільшує сумарну ерозію землі в регіоні. Зміни швидкості течії та рівня води також спричинять зміни в переміщенні речовин, що осаджуються.

Під час будівництва ГЕС особливо великим буде переміщення бруду та відкладень вниз за течією від місця зведення станції. Земляні роботи та проходження тунелю можуть призвести до значного погіршення якості води, що спричинить додаткові проблеми.

Грунтові води

Грунтові води відіграють важливу роль у підтримці існуючої екосистеми, її флори та фауни. У більшості країн ґрунтові води є також джерелом питної води. Водосховища разом із зміною та можливими коливаннями рівня води, викликаними наявністю ГЕС, впливають на рівень ґрунтових вод в навколишніх районах, що, у свою чергу, може вплинути на якість води та переміщення опадів у руслі річки внаслідок стоку та ерозії.

Надмірне удобрення

Щоразу, через попадання поживних речовин у водосховище, результатом може бути його надмірне добриво - еутрофікація, що може призвести до прискореного зростання водоростей та інших водних рослин. Збільшене утворення органічних речовин у водосховищі або надходження їх ззовні може викликати анаеробні процеси (недолік кисню) у глибинних шарах води.

Загалом, дрібні озера з великою площею поверхні найбільш уразливі, частково тому, що резерв кисню в нижніх шарах води обмежений у порівнянні з верхніми шарами, де "виробляються" органічні речовини. У глибоких вузьких озерах, за умови регулярної циркуляції води, Зміст кисню в глибоководних шарах буде достатнім для переробки органічної речовини, що відклалася. Однак це не завжди вірно для тропіків. Якщо річка спочатку багата на поживні речовини, ризик еутрофікації збільшується.

Пароутворення також може збільшувати концентрацію поживних речовин, що призводить до надмірного добрива або еутрофікації. Тропічний ґрунт зазвичай має низький зміст гумусу, що разом з великими сезонними коливаннями кількості опадів та їх випаданням, найчастіше у вигляді сильних злив, може викликати значну ерозію землі. Відкладення "затримуватимуться" і накопичуватимуться у водосховищі. Термін служби водосховища таким чином зменшується. Переміщення відкладень та поживних речовин відіграє критичну роль в екосистемі річки. Використання людьми природи та її багатств може повністю залежати від розливів, водних відкладень та поживних речовин.

Переміщення поживних речовин

Водосховище служить "пасткою" для поживних речовин та бруду, що може призвести до значного зниження загальної міграції поживних речовин вниз за течією. Крім того, річні зміни в постачанні поживними речовинами русла річки можуть також зазнавати змін, що у свою чергу знижує біологічне відтворення на всьому шляху до моря. Є приклади, коли внаслідок будівництва дамби лов риби морським флотом скорочувався.

Риба

Для деяких видів риб можуть виникнути перешкоди для їх розмноження через можливу зміну рівня води під час періоду нересту. У штучному водоймищі зазвичай мешкають менше видів риб, ніж у природному озері. Зміни потоку води можуть радикально впливати на поживні речовини та умови ікрометання по течії. Також змінюється і "освіта" їжі, як і її доступність риби. У греблі та на місцях скидання води від турбін може виділятися надлишковий газ, переважно азот, що може бути смертельним для риби

Деякі ГЕС обладнані каналами для риби

Флора та фауна

Затоплення та зміна потоку води, крім того, викликає зміну фауни та флори поза руслом річки. Через постійні або періодичні затоплення під ударом виявиться тваринний і рослинний світ району, де знаходиться ГЕС. Якщо тварини можуть частково переміститися в нові місця проживання поза водоймою, (природно, якщо відповідні умови середовища будуть знайдені), то рослинність областей, що затоплюються, вважається втраченою.

Важко передбачити взагалі, які відбудуться зміни поза затопленою областю. Локальні кліматичні зміни та зміни рівня ґрунтових вод можуть впливати на флору та фауну. Цінні види та природні різновиди можуть бути втрачені назавжди. Загальне збільшення активності в районі (транспорт, шум тощо), особливо характерні для періоду будівництва, також впливає на фауну негативним чином.

Рух популяцій

Для великих ГЕС із дамбами необхідні великі водосховища та великі площі для розливу. Для звільнення місця під ці площі потрібно переселити багато людей. Це означає, що життя багатьох людей може суттєво змінитися внаслідок абсолютно нового місця проживання, нового розподілу землі, нових умов праці та способу життя. У разі зведення великих ГЕС вплив на життя людей може бути досить серйозним.

Соціальні наслідки, ймовірно, виникнуть і в тому випадку, якщо населення району, де будується ГЕС, буде змушене переселитися на землі екологічно вразливіші та менш родючі, ніж ті, які вони традиційно використовували. Такий опосередкований вплив на екологію може спричинити низку значних екологічних проблем, що мають негативні наслідки для всього району, де знаходиться ГЕС.

Особливо страждає корінне населення. Через свої соціально-культурні традиції та історично сформовану прихильність до землі, води та інших природних ресурсів, вони не можуть пристосуватися до змін і нових видів діяльності. Переміщення груп корінного населення ставить під удар всю їхню культурну систему. Такі меншини кинуті на свавілля долі, оскільки вони практично не мають великого політичного впливу та можливості відстоювати свої власні інтереси.

Зміни в умовах соціальної, економічної та релігійної організації суспільства можуть створювати низку непрямих соціальних наслідків, які важко передбачати у процесі планування проекту. Культурні ландшафти, стародавні стоянки, святі місця, місця поховання тощо. часто мають велике значення для культури місцевого населення.

Здоров'я

Великі ГЕС можуть впливати на розвиток епідемій захворювань, пов'язаних із водою. Водосховище може покращувати проживання та умови розмноження паразитичних організмів, що викликають різні захворювання. Серед них можна згадати висипний тиф, холеру, дизентерію та інші. До захворювань, пов'язаних з водним середовищем проживання основних переносників, відносяться біляріоз, малярія, філаріоз, сонна хвороба та жовта лихоманка.

Водосховища, де знаходиться велика кількість стоячої води з низькими коливаннями її рівня, створюють сприятливі умови для життя хвороботворних організмів. Рослинність у водосховищі також "покращує" місце існування для деяких типів переносників інфекції. Наприклад, рослинність може постачати переносників інфекції підвищеною порцією поживних речовин; покращуються умови для розмноження та збереження в періоди низького рівня води; водні рослини закривають від сильного сонячного світла равликів, які є рознощиками біляріозу. До того ж, дослідження показали, що різновид москітів – рознощиків малярії та філаріозу – існує завдяки рослинності у водоймах. Якщо водоймище використовується і для іригації, і для постачання технічної та питної води, є ризик зараження хвороботворними організмами, що живуть у воді. Така інфекція може поширюватись на великі території.

Повінь, викликана проривом греблі

Прорив дамби відбувається рідко, але через його можливі масштабні наслідки необхідно заздалегідь оцінити розміри пошкоджень, викликаних проривом. Нещасні випадки з людьми, пошкодження майна та технічних споруд розглядаються як найбільш суттєві, але значним також може бути негативний вплив на навколишнє середовище.

Згідно зі статистикою, найчастішою причиною прориву греблі є поєднання посилення течії річки перед греблею та пошкоджень у водозливі греблі. Вторинними причинами є дефекти основи греблі або просочування через неї води. При високому рівні води у водосховищах зсуви землі та каміння від насипу вище або всередині резервуара можуть викликати настільки масивні паводкові хвилі, що вода може проливатись по повній або частковій ширині греблі. Якщо дамба насипна, це може призвести до руйнування самої греблі. Спеціальні запобіжні заходи повинні бути вжиті, якщо велика дамба будується в сейсмічно небезпечному районі.

4. Технології

У ГЕС кінетична енергія падаючої води використовується для виробництва електроенергії. Турбіна і генератор перетворюють енергію води на механічну енергію, а потім - на електроенергію. Турбіни та генератори встановлені або в самій греблі, або поряд з нею. Іноді використовується трубопровід, щоб підвести воду, що знаходиться під тиском нижче рівня дамби або до водозабірного гідровузла ГЕС. Потужність ГЕС визначається, перш за все, за функцією двох змінних: (1) витрата води, виражена в кубічних метрах в секунду (м3/с), і (2) гідростатичний напір, який є різницею висот між початковою та кінцевою точкою падіння води. Проект станції може ґрунтуватися на одній із цих змінних або на обох.

З точки зору перетворення енергії, гідроенергетика - технологія з дуже високим ККД, що часто перевищує більш ніж удвічі ККД звичайних теплоелектростанцій. Причина в тому, що об'єм води, що падає вертикально, несе в собі великий заряд кінетичної енергії, яку можна легко перетворити на механічну (обертальну) енергію, необхідну для виробництва електрики. Устаткування для гідроенергетики досить добре розроблене, відносно просте та дуже надійне. Оскільки ніякої теплоти в процесі немає (на відміну від процесу горіння), обладнання має тривалий термін служби, рідко трапляються збої. Термін служби ГЕС – понад 50 років. Багато станцій, збудованих у двадцяті роки ХХ століття – перший етап розквіту гідроенергетики – все ще в дії.

Оскільки всіма істотними робочими процесами можна керувати та контролювати їх дистанційно через центральний вузол управління, безпосередньо на місці потрібен невеликий технічний персонал. Наразі накопичено вже значний досвід роботи ГЕС потужністю від 1 кВт до сотень МВт.

5. Типи гідроелектростанцій

Гідроенергетичні технології можна розділити на два типи: традиційні та гідроакумулюючі, що використовують насосну систему.

Існує й інша класифікація ГЕС, залежно від:

• номінальної потужності (великі або малі ГЕС);
• рівня напору води (низькі, середні та високонапірні ГЕС);
• типу турбіни (Каплана, Френсіса, Пелтона і т.д.);
• розташування та типу греблі, водосховища.

Традиційні гідроелектростанції для виробництва електроенергії використовують енергію води річок, потоків, каналів, водойм. ГЕС можна розділити на електростанції з греблею, і на ГЕС, які використовують систему відведення води. У першому випадку дамба використовується для зберігання води. Вода може бути спущена у разі зміни потреб у виробництві електроенергії або підтримки постійного рівня води. У другому випадку будуються спеціальні обвідні канали, які називають дериваційними. Виробництво гідроенергії – лише одна з багатьох цілей. Водні ресурси можуть використовуватись і для іригації, регулювання стоку, навігації, для промислового та муніципального постачання водою.

Гідроакумулюючі електростанції

В основі роботи гідроакумулюючих електростанцій (ГАЕС) лежить напрочуд простий принцип, заснований на зберіганні води у двох водосховищах, що знаходяться на різній висоті. У періоди, коли електричне навантаження в єдиній енергосистемі мінімальне (зазвичай вночі), ГАЕС працює в насосному режимі, перекачуючи воду з нижнього водосховища у верхнє, використовуючи при цьому електроенергію із системи.

У режимі нетривалих "піків" - максимальних значень навантаження в енергосистемі - ГАЕС працює у генераторному режимі та використовує воду, накопичену у верхньому водосховищі. Після завершення процесу пікової генерації вода перекачується назад у верхнє водосховище і ГАЕС готова до наступного циклу. Як енергоспоживач (використання енергії в насосному режимі), ГАЕС мають особливе значення завдяки тому, що вони можуть бути швидко введені в роботу для генерування електроенергії під час "пікових" навантажень в енергосистемі. У більшості випадків гідроакумулюючі ГЕС проходять повний цикл кожні 24 години.

Компоненти ГЕС

Традиційні ГЕС складаються з таких компонентів:

• Дамба. Керування потоком води та збільшення висоти для створення напору води.
• Турбіна. Обертається під тиском води, що падає на лопаті.
• Генератор. З'єднаний із турбіною і, обертаючись, виробляє електроенергію.
• Трансформатор. Перетворює напругу генератора на напругу, необхідну для передачі електроенергії в енергомережу.
• Лінії передачі. Передають електричний струм від гідроелектростанції до електричної розподільчої системи.
• У деяких ГЕС також є ще один компонент - напірний водовід, який підводить воду від джерела або басейну до турбіни ГЕС.

Типи турбін

Найстаріша конструкція "гідротурбіни" - водяне колесо, де для його обертання використовується природний напір водяного потоку. Традиційне водяне колесо виготовлене з деревини та обладнане по периметру ковшами або лопатями. Вода "штовхає" їх, змушуючи колесо обертатися. Водяні колеса використовувалися протягом століть, але для виробництва електроенергії ці великі колеса, що повільно обертаються, не підходять. Гідротурбіни, що використовуються для генерування електроенергії, виготовлені з металу, обертаються на більш високих швидкостях, і набагато простіше у виготовленні та встановленні. Для більш ефективної роботи в різних умовах було розроблено різні типи турбін.

Гідротурбіни можна класифікувати по-різному. Одна класифікація полягає в способі функціонування (імпульсна чи реактивна турбіна); інша класифікація пов'язана з конструкцією (розташування валу та подача води). Гідротурбіни можуть функціонувати як турбіни, як турбіни-насоси або комбіновано. Вони можуть мати одиничне або подвійне регулювання. Турбіни можуть класифікуватися залежно від швидкості обертання.

Імпульсні турбіни використовують сопло в кінці трубопроводу, яке перетворює водяний потік під тиском у стрімкий струмінь. Цей струмінь направлений на робоче колесо турбіни (так званий бігунок), сконструйоване таким чином, щоб передати кінетичну енергію струменя в енергію обертання валу. Поширеними імпульсними турбінами є турбіна Пелтона та турбіна поперечної течії. У реактивних турбінах Енергія води за рахунок збільшення тиску збільшує швидкість потоку на напрямних лопатях та безпосередньо на робочому колесі турбіни. Типовий приклад реактивної турбіни – турбіна Френка.

Перевага малої реактивної турбіни полягає в тому, що вона може повністю використовувати гідравлічний напір у цьому місці. Імпульсна турбіна повинна бути встановлена ​​вище за нижній рівень води. Перевага імпульсної турбіни полягає в тому, що вона досить проста та дешева, легко можна контролювати подачу води на турбіну, змінюючи розмір сопла. На відміну від імпульсної турбіни, більшість малих реактивних турбін не можна відтарювати залежно від витрати води.

Більшість гідротурбін складається із закріпленого на валу робочого колеса турбіни або "бігунка", встановленого в каналі, що підводить воду з вищого рівня (водосховища, розташованого вгору за течією від дамби), до русла річки нижче дамби. Деякі "бігунки" виглядають схожими на гвинт човна, в інших - складніші форми. Робоче колесо турбіни встановлено в каналі, що пропускає воду з водосховища через робочі лопаті, що змушують турбіну обертатися.

Майже всі гідравлічні турбіни/генератори обертаються з постійною швидкістю. Постійна швидкість, з якою працює один тип турбіни/генератора, може значно відрізнятись від швидкості іншого типу. Оптимальна швидкість кожного типу турбіни визначається під час її проектування. Під час розробки генератора ця швидкість також враховується. Пристрій, який називають регулятором, "примушує" кожну одиницю працювати з відповідною швидкістю, використовуючи для цього так звані шлюзи.

Турбіна пелтону

Принцип роботи старого водяного колеса реалізовано у сучасній турбіні Пелтона (ковшова турбіна). Зовні ця турбіна нагадує класичне водяне колесо. Турбіна Пелтона використовується при висоті тиску води понад 40 м (до 2000 м). При висоті напору нижче 250 м перевага надається в основному турбіні Френсіса. Найбільша потужність таких турбін сьогодні становить близько 200 МВт.

Турбіна Пелтона належить до типу імпульсних турбін, де наявний напір води перетворюється на кінетичну енергію при атмосферному тиску та частковому впуску потоку в турбіну. Ця турбіна була винайдена наприкінці 19 століття американцем Пелтоном, на честь якого її назвали. Найголовніше удосконалення, зроблене Пелтоном – симетричні подвійні чаші. Ця модель використовується сьогодні. Ребро роздільника ділить струмінь навпіл, утворюючи два потоки, що відхиляються один від одного. Найбільші турбіни Пелтона мають діаметр понад 5 м, а їхня вага перевищує 40 тонн. Колесо має бути поміщене вище за рівень стоку, що означає втрату гідростатичного напору. У той же час не відбувається занурення у воду робочого колеса турбіни - "бігунка". Щоб уникнути неприпустимого підвищення тиску в напірному водоводі, викликаному регулюванням турбіни, іноді встановлюються дефлектори струменя. Дефлектор відхиляє струмінь або його частину від робочого колеса турбіни.

З моменту її винаходу турбіна Пелтона була значно покращена, а її номінальна потужність збільшилася. Процес " передачі " енергії турбіні відбувається так: чашеобразные лопаті (їх максимальне число дорівнює 40), з'єднані дві одержуючі, у кожну з яких із сопла б'є струмінь води, отклоняемая на 180о, передаючи всю свою енергію турбіні. Завдяки реверсивному руху, майже вся кінетична енергія перетворюється на імпульс на зовнішньому діаметрі колеса. Через симетрію потоку майже не створюється осьового зусилля на "бігунці".

З точки зору конструкції, турбіну Пелтона можна адаптувати під будь-який потік та натиск. Для збільшення потужності турбіни можуть бути обладнані одним, двома або великою кількістю сопел. При виготовленні ротора зазвичай використовується мідне або сталеве лиття. Ковшові турбіни прості в обслуговуванні.

Турбіна френсісу (турбіна радіального потоку)

У більшості випадків при наявності великого або малого потоку води, а також при різних рівнях напору використовується турбіна радіального потоку або турбіна Френсіса. На відміну від турбіни Пелтона, турбіна Френсіса, як і турбіна Каплана, є турбіною реактивного типу, де робоче колесо турбіни повністю занурене у воду, а тиск і швидкість води зменшуються в процесі її проходження через турбіну. Вода спочатку входить у спіраль, що є кільцевим каналом, що оточує робоче колесо турбіни, а потім тече між нерухомими лопатями, що направляють потік води. Під час надходження води на "бігунок", повністю занурений у воду, виникає імпульс, що викликає реакцію в турбіні. Вода тече радіально, тобто до центру.

"Бігунок" має викривлені лопаті, на які потрапляє вода. Напрямні лопаті влаштовані таким чином, що енергія потоку води трансформується у обертальний рух, і при цьому майже не відбувається втрат енергії внаслідок турбулентності чи інших небажаних явищ, характерних для потоку води. Зазвичай напрямні лопаті можна регулювати, що дозволяє "пристосовувати" турбіну до змін потоку води та її навантаження.

Напрямні лопаті у турбіні Френсіса спрямовують потік води так само, як і сопло турбіни Пелтона. Вода "звільняється" через вихідний отвір у центрі турбіни. Турбіна Френсіса набагато складніше за своєю конструкцією, ніж турбіна Пелтона.

Для запобігання гідравлічному удару внаслідок різкої зміни потоку води турбіна Френсіса оснащена клапанами скидання тиску, які не лише обмежують збільшення тиску, а й запобігають збовтуванню осаду в трубах внаслідок гідравлічного удару.

Існує безліч конструкцій турбіни Френсіса, завдяки чому може бути використаний напір води від 30 м до 700 м. Найбільш потужні турбіни Френсіса мають номінальну потужність до 800 MВт.

Турбіна каплана (турбіна пропелерного типу)

Для дуже малого напору та інтенсивного потоку застосовується інший тип турбіни – турбіна Каплана (турбіна пропелерного типу). У турбіні Каплана вода тече крізь гвинт/пропелер і змушує його обертатися. У цій турбіні площа, крізь яку протікає вода, дорівнює всій площі, що охоплюється лопатями. Тому турбіни Каплана застосовні для дуже великих обсягів водяних потоків. Цей тип турбіни використовується там, де натиск становить лише кілька метрів.

Вода надходить у турбіну через бічний канал, потрапляє на напрямні лопаті, а потім тече вздовж осі гвинта. З цієї причини ці машини називаються осьовими турбінами. Їхня перевага щодо радіальних турбін полягає в тому, що технічно набагато простіше змінювати кут лопатей при зміні потреби в електроенергії, що, у свою чергу, підвищує ефективність роботи гідротурбіни.

Потік води, що проходить через турбіну, може контролюватись шляхом зміни відстані між напрямними лопатями; при цьому також регулюється нахил лопатей гвинта. Кожне положення направляючих лопат відповідає конкретному положенню лопат гвинта, що забезпечує високу продуктивність турбіни. Важлива особливість турбіни Каплана - швидкість обертання лопатей удвічі більша за швидкість потоку води. Це дозволяє отримувати високу частоту обертання за відносно низьких швидкостей потоку води.

Існують різні конструкції турбіни Каплана. Їх застосовують при натиску від 1 м до 30 м. За таких умов для отримання відповідної вихідної потужності потрібно відносно більший потік порівняно з турбінами, що працюють при сильному тиску. Тому габарити цих турбін є досить великими.

Турбіна поперечної течії (турбіна банки)

Концепція турбіни поперечної течії - хоча вона набагато менш відома, ніж три перераховані вище гідротурбіни - не нова. Вона була винайдена інженером на ім'я Мічелл, який отримав патент у 1903 році. Цілком незалежно в Будапештському університеті ця турбіна була "знову" винайдена угорським професором Донатом Банки. До 1920 року це відкриття було досить відоме у Європі з низки публікацій. Існує єдина компанія, що виробляє гідротурбіни поперечної течії протягом кількох десятиліть - це німецька фірма Оссбергер (Ossberger) у Баварії. Понад 7000 таких турбін встановлено по всьому світу.

Головна особливість турбіни поперечної течії полягає в наступному. Струмінь прямокутного перерізу проходить двічі крізь лопаті, встановлені на периферії циліндричного ротора перпендикулярно до його осі. Вода тече крізь лопаті спочатку у бік від периферії ротора до його центру, та був, після перетину відкритого простору всередині ротора, від внутрішньої частини межі. Перетворення енергії відбувається двічі: спочатку, під час "попадання" води на лопаті на вході, а потім, коли вода "вдаряє" по лопатах на виході з ротора. Використання двох робочих фаз не забезпечує особливої ​​переваги за винятком того, що це дуже ефективний і простий спосіб відведення води з ротора.

Зазвичай цю турбіну класифікують як імпульсну. Це не зовсім правильно і, ймовірно, засноване на тому факті, що початковий проект був турбіною постійного тиску. Досить велика відстань була між соплом і ротором для того, щоб струмінь надходив у ротор без статичного тиску. Сучасні конструкції зазвичай виготовляються із соплом, яке охоплює велику дугу периферії ротора, що дозволяє збільшити потік за збереження меншого розміру турбіни. Ці конструкції працюють як імпульсні турбіни лише з малим отвором сопла. При цьому наведений потік повністю не заповнює простір між лопатями, а тиск усередині ротора – атмосферний. Зі збільшенням потоку, який тепер повністю заповнює простір між лопатями, тиск підвищується і турбіна працює як реактивна.

Турбіни поперечної течії можуть використовуватися при натиску від 2 м до більш ніж 100 м. Змінюючи ширину ротора та розміри вхідного отвору, турбіну з постійним діаметром ротора можна пристосувати до різних величин потоку води. Завдяки цьому також зменшується кількість необхідних для виготовлення турбіни верстатів, затискних пристроїв і т.д. У роторах співвідношення "ширина до діаметру" становить від 0.2 до 4.5. Для широких роторів опорні диски приварюють до валу через рівні інтервали для запобігання вигину лопат.

Завдяки низькій ціні та хорошому управлінню, ці турбіни дуже популярні для малих ГЕС.

Велика чи мала?

ГЕС відрізняються за потужністю від кількох сотень ват до більш ніж 10.000 MВт. Класифікуються ГЕС досить просто: зазвичай всі електростанції з потужністю понад 10 МВт вважаються більшими, а всі інші – малими. Існує також класифікація ГЕС малої потужності, в якій застосовують такі терміни як "мікро" або "нано" (надмініатюрна) щодо ГЕС потужністю менше 1 кВт. Однак варто звернути увагу на певні Характеристики та основні відмінності між великими та малими ГЕС.

6. Велика гідроенергетика

Великі ГЕС за своєю природою потребують гарної інфраструктури: насамперед - це дороги під час будівництва. Необхідний також і доступ до енергомереж, що полягає у наявності високовольтних ліній передач та великої розподільчої системи, що обслуговує велику кількість індивідуальних споживачів та промислових підприємств.

Великі ГЕС є власністю великих компаній чи державних підприємств, які зазвичай і керують ними. Для управління, адміністрування та обслуговування таких ГЕС необхідні кваліфіковані спеціалісти. Завдяки зменшенню питомих капітальних витрат із збільшенням розміру станції, а також через можливість підвищення навантаження зі зростанням кількості споживачів, собівартість виробленої електроенергії щодо низька. Проблема полягає в піковому навантаженні: велика кількість споживачів вимагають максимальної кількості енергії протягом єдиного часового інтервалу, що призводить до великого неконтрольованого пікового попиту, який має бути задоволений за рахунок збільшення потужностей - дорогих гідроакумулюючих та резервних споруд.

З технічної точки зору, велика потужність ГЕС потребує складного технологічного виробництва електромеханічного обладнання, високого рівня прогнозування здійсненності, планування та цивільного будівництва. Період підготовки та реалізації проекту досить тривалий. Зрозуміло, що цей процес є досить дорогим, що, втім, виправдано великим масштабом об'єкта. Вартість обладнання складає відносно малу частину загальної вартості проекту. Великомасштабні ГЕС потребують ретельного підходу і до питань екології. Штучні озера можуть повністю змінити ландшафт та затопити великі площі орної землі. Позитивні аспекти: можливість управління потоком та створення нових зон відпочинку (катання на човнах, лов риби, кемпінги) хоча очевидно, що вигоди, що отримуються від цього, не зростають пропорційно до збільшення розміру ГЕС.

Умови, наявність яких потрібна для розвитку великої гідроенергетики:

• велике централізоване енергоспоживання;
• велика промисловість, мегаполіси, міські райони;
• міжнародна, національна та регіональна центральні енергосистеми;
• великі корпорації або державні підприємства з висококваліфікованим та добре оплачуваним штатом;
• довгострокова оцінка потенціалу, довгострокове планування та тривалий період будівництва із застосуванням складної техніки та технології

Залежно від потенціалу велика гідроенергетика може зробити значний внесок у вирішення питання національного енергозабезпечення.

7. Малі гідроелектростанції

У малих, "мікро" або "нано" ГЕС поєднуються переваги великої ГЕС з одного боку та можливість децентралізованої подачі енергії з іншого боку. Вони не мають багатьох недоліків, характерних для великих ГЕС, а саме: дорогі трансмісії, проблеми, пов'язані з негативним впливом на довкілля. Крім того, використання малої гідроенергетики веде до децентралізованого використання електроенергії, сприяє розвитку даного регіону, головним чином заснованому на самодостатності та використанні місцевих ресурсів.

У всьому світі сьогодні встановлено кілька тисяч малих ГЕС. Сучасні гідроенергетичні технології дуже високорозвиненими. За останні 40 років були значно вдосконалені конструкції гідротурбін, насамперед з метою досягнення вищого рівня перетворення механічної енергії на електричну. Це особливо актуально для великих ГЕС, де підвищення ККД гідротурбіни на 1% може означати збільшення потужності на кілька МВт. Природно, що така складна технологія досить дорога. Для малих ГЕС технологія великих ГЕС часто має зменшені розміри, що призводить до значного підвищення капітальних витрат за одиницю встановленої потужності. З іншого боку, впливи на навколишнє середовище з боку малої гідроенергетики настільки незначні, що часто про них говорять як про "не існуючі".

Малі ГЕС у більшості випадків приєднані до енергомережі. Більшість із них не мають великих водосховищ, тобто вода не збирається позаду греблі. Вони виробляють електроенергію, якщо природний рівень води в річці достатній, але в періоди висихання річки або падіння швидкості потоку нижче за певну величину Виробництво електроенергії припиняється. Існує два основних типи малих (або мікро) електростанцій. За наявності акумуляторної системи мала ГЕС виробляє електроенергію, що накопичується в акумуляторах. У періоди низького рівня споживання електроенергії її надлишок також зберігається в акумуляторах. Якщо ж природного водяного потоку достатньо для безперебійного вироблення електроенергії, мала ГЕС постачає електроенергію в мережу без накопичення її в акумуляторах.

Мала гідроенергетика має особливе значення для країн з економікою, що розвивається, насамперед завдяки забезпеченню принципу децентралізації. Вироблена електроенергія зазвичай передається по низьковольтній розподільній мережі щодо невеликої кількості споживачів, розташованих поблизу ГЕС.

Малі ГЕС відрізняються один від одного в залежності від напору води, що використовується. Високонапірні ГЕС типові для гірських областей; і внаслідок того, що для вироблення такої ж кількості електроенергії їм необхідний менший потік, вони зазвичай дешевші за інші ГЕС. ГЕС малого напору типові для рівнин, їм не потрібен водопровідний канал. На розмір капітальних витрат, пов'язаних із будівництвом малих ГЕС, впливає багато чинників. Однак одним із найбільш суттєвих є вибір місця та "прив'язка" до нього ГЕС. Наявність відповідного напору та швидкості потоку води – необхідні умови для виробництва електроенергії.

Для більшості ГЕС необхідний трубопровід, що подає воду для роботи турбіни. Виняток – гвинтові машини з відкритим входом. Вода повинна пройти спочатку крізь фільтр, що "затримує" сміття, що знаходиться в ній, щоб уникнути засмічення і пошкодження турбіни. Вхід зазвичай розміщується осторонь основного водяного потоку, щоб під час інтенсивного потоку захистити турбіну від прямого напору води та сміття.

Вимоги щодо техніки безпеки при будівництві малих ГЕС не такі високі, як у випадку з великими ГЕС, оскільки навіть розрив малої греблі зазвичай не загрожує людським життям, і ризик, відповідно, менший, що у свою чергу зменшує капітальні витрати. При будівництві малих ГЕС зазвичай використовують місцеві матеріали, а до роботи залучається місцеве населення.

Малі ГЕС можуть вимагати більшого обслуговування, ніж відповідні їм за встановленою потужністю ВЕУ або фотоелектричні системи. Важливо, щоб турбіна не засмічувалась. Це досягається надійною фільтрацією та будівництвом відстійника. Щодо механічних частин турбіни, тільки підшипники та щітки потребують регулярного догляду та заміни.

Собівартість електроенергії, виробленої на малих ГЕС

Згідно з даними Світового Банку, первинні капіталовкладення у будівництво малих ГЕС коливаються від 1800 до 8800 доларів США за 1 кВт встановленої потужності (для водяних напорів від 2,3 м до 13,5 м), і від 1000 до 3000 доларів США за 1 кВт (для натисків від 27 м до 350 м). У той же час витрати на обслуговування ГЕС невисокі.

До капітальних витрат належать:

• Будівництво греблі, каналу, станції.
• Устаткування для виробництва електроенергії (турбіна, генератор, трансформатор, лінії електропередач).
• Інші (розробка, вартість землі, пусконалагоджувальні роботи).

Зазвичай обладнання, яке використовується при невеликому водяному натиску та низькому виробленні електроенергії, є дорогим: на нього припадає від 40 до 50% від загальних капіталовкладень. Оскільки йдеться про витрати на цивільне будівництво, не можна надати точних цифр щодо вартості кожного об'єкта. Дамби, канали та приймальні пристрої будуть складати різні відсоткові співвідношення від загальних капіталовкладень для різних об'єктів. Багато залежить від топографії та геології, а також від застосовуваної технології будівництва та від використовуваних матеріалів. Наприклад, загальна вартість нових малих ГЕС у Німеччині становила 5-9 євро за 1 Вт встановленої потужності. Витрати, пов'язані безпосередньо з будівництвом ГЕС, становили 35% цієї суми, вартість обладнання для виробництва електроенергії - 50%. У різних країнах вартість турбіни, звичайно, різна: наприклад, турбіна потужністю 8 кВт (тип Банки з регулюванням) в Чеській республіці коштує 3500 євро або 0,45 євро за 1 Вт.

Високі капітальні витрати – найбільший бар'єр на шляху широкомасштабного розвитку малої гідроенергетики. Однак, незважаючи на цей факт і тривалий термін окупності (7-10 років у деяких країнах, наприклад у Словаччині), малі ГЕС є рентабельними через їх тривалий термін служби (понад 70 років) та низькі витрати на технічне обслуговування. Як правило, вартість обслуговування та ремонту, не включаючи заміну дорогого обладнання, становить приблизно від 3 до 4 % капіталовкладень для малої та мікрогідроенергетики.

Умови, наявність яких необхідна для розвитку малої гідроенергетики:

• децентралізоване, невелике за обсягом енергоспоживання; дрібні галузі промисловості, індивідуальні фермерські господарства та підприємства, сільське населення;
• низковольтна розподільча мережа і, очевидно, всередині регіональна мікроенергомережа;
• індивідуальне, кооперативне чи общинне право власності; середньокваліфікована праця та кооперативне адміністрування;
• середній за тривалістю період планування, використання місцевих матеріалів та трудових ресурсів. Залежно від потенціалу мала гідроенергетика може суттєво підвищити рівень життя сільських жителів;
• завдяки високому рівню пристосовності до швидкозмінних навантажень у мережі, мала ГЕС є кращим елементом будь-якої інтегрованої енергосистеми.

Термін експлуатації малих ГЕС досить тривалий, деякі станції працюють понад 70 років. Сучасні малі ГЕС можуть мати ще більший термін служби. Таким чином, вони можуть забезпечувати електроенергією кілька поколінь, при цьому не завдаючи шкоди навколишньому середовищу.

Доведено, що інвестиції в малу гідроенергетику не схильні до ризиків, вони надійні протягом кількох десятків років.

8. Малі гідроелектростанції для країн, що розвиваються

У країнах, що розвиваються, мала гідроенергетика може мати потенційно важливе значення для освітлення будинків, для забезпечення електроенергією водонапірних станцій, для таких галузей промисловості, як деревообробка та металообробка, для помелу зерна, а також у текстильній промисловості.

Акцент робиться на використанні наявної в даний час технології, на застосуванні простого обладнання, яке можна виготовити в даному регіоні з використанням місцевих будівельних матеріалів та технологій. Основна мета - максимальне зниження капітальних витрат. У свою чергу, це може призвести до вдосконалення місцевих технологій з подальшим застосуванням для великих ГЕС.

Китай

За останні 25 років розвиток малої гідроенергетики у цій країні був стрімким. Окрім будівництва великих об'єктів, багато уваги приділялося і малим ГЕС, що призвело до появи на великих сільськогосподарських територіях 100 000 станцій сумарною потужністю близько 10000 MВт.

Перша великомасштабна кампанія з будівництва малих ГЕС розпочалася ще 1956 року. Амбіційний план полягав у будівництві 1000 малих станцій, використання яких передбачало не лише вироблення електроенергії, а й створення іригаційних систем. Хоча промислові технології дозволяли здійснити будівництво великих ГЕС, будівництво малих ГЕС тривало. Широке застосування отримали мініатюрні турбогенератори номінальною потужністю від 0,6 до 12 кВт для забезпечення електроенергією гірських сіл, розсіяних країною.

Розвиток малої гідроенергетики повністю ґрунтувався на використанні місцевих ресурсів: матеріалів, технологій та місцевої робочої сили. Враховуючи цей фактор, слід зазначити, що досягнуті результати виявилися більш ніж вражаючими. Проте, розвиток гідроенергетики у Китаї гальмують такі перешкоди. Регіональний розподіл водних ресурсів дуже нерівномірний і сконцентрований у областях, які слабо заселені. Нерівномірність потоку води у багатьох річках є значною. Наприклад, максимально зареєстрована швидкість потоку в річці Хуанхе у 88 разів перевищувала її мінімальний рівень, а на малих річках такі коливання потоку, ймовірно, будуть набагато вищими.

Мікрогес

Під мікроГЕС розуміють ГЕС потужністю менше 1 кВт. За максимального навантаження такі ГЕС виробляють кількість електроенергії, достатню для повного забезпечення трьох домашніх господарств. Ніяка інша технологія відновлюваної енергетики, що має таку саму вартість, не є такою надійною і виробляє такий самий обсяг енергії. Будівництво мікроГЕС означає, що для водного ресурсу місцевості характерним є дуже низький натиск, або дуже слабкий потік, а іноді і обидві Характеристики відразу. ГЕС, побудовані на річці з низькою швидкістю потоку, зазвичай мають систему, що акумулює, і розроблені таким чином, щоб виробляти електроенергію з постійним струмом. За наявності сильного потоку ГЕС можуть виробляти електроенергію зі змінним струмом без використання системи, що акумулює. Проте подібні ГЕС мають працювати і за пікових навантажень. У деяких випадках надлишкова електроенергія забезпечує додаткові об'єкти, наприклад, водонагрівач.

Гідротурбіна, що забезпечує електроенергією домашнє господарство, може бути куплена за 1000 доларів США. Ці прості прилади, розміром із хлібницю, використовують обмотку автомобільного генератора для вироблення постійного струму. Постійний струм використовується для заряджання акумуляторів, потім перетворюється на змінний струм за допомогою інвертора.

Типова мікрогідроустановка переправляє малу частину водяного потоку крізь фільтр у ємність для води, наприклад, 200-літрову бочку. Бочка служить відстійником, фільтр затримує сміття, що знаходиться у воді, яке може засмічити вхідний отвір турбіни. Вода потрапляє з бочки в турбіну по полівінілхлоридному трубопроводу (зазвичай від 5 до 10 см у діаметрі), а потім повертається до річкового потоку. Додаткові витрати на трубопроводи, контрольну систему, акумулятор та електропроводку залежать від кожного окремого випадку і коливаються від 1000 до 5000 доларів США.

Мікрогідротурбіни бувають двох основних видів. Одні використовують генератор змінного струму типу автомобільного. Інші (наногідросистеми) застосовують генератор з незмінним магнітом або двигун. Машини, що працюють із генератором змінного струму, використовуються для ГЕС потужністю від 100 до 1000 Вт, тоді як турбіни з генератором на постійних магнітах краще підходять для ГЕС потужністю до 80 Вт.

Для регулювання у великих гідросистемах використовують шунти. Це запобігає перевищенню швидкості обертання турбіни та передчасному зносу деталей. Найменші системи використовують стабілізатори, які "розвантажують" генератор у періоди, коли вироблення електроенергії не потрібне. Використання акумулятора у роботі мікроГЕС виправдане: турбіна виробляє постійний обсяг електроенергії. Акумулятор діє як "маховик" для згладжування періодів, коли споживання досягає пікових навантажень. МікроГЕС заряджає акумулятор практично відразу після того, як невелика кількість електроенергії, накопиченої на батареї, була використана. Ці системи, як і прості акумулятори, можуть працювати тривалий час. У мікросистемах довжина та діаметр труби повинні бути визначені відповідно до робочих умов та параметрів турбіни. Використання довгих труб малого діаметра зробить навіть найкращу турбіну неефективною.

Наногес із генератором на постійних магнітах

Відмінною рисою цих ГЕС є використання генераторів на постійних магнітах. Перевага полягає в тому, що електроенергія не витрачається для створення магнітного поля, як у більшості випадків із генератором змінного струму; тобто вся вироблена електроенергія надходить на акумулятор. Нестача системи з постійними магнітами полягає в тому, що її максимальна потужність обмежена природною силою магнітів.

Акумулюючі системи

Більшість мікро-і наносистем є акумулюючими. Вони вимагають набагато меншої кількості води, ніж системи змінного струму і, як правило, дешевші. Оскільки енергія накопичується на акумуляторі, генератор може бути вимкнений без переривання постачання електроенергії споживачам. Трубопровід, турбіна, генератор та інші вузли для таких ГЕС можуть бути набагато меншими, ніж у системах зі змінним струмом. Для перетворення постійного струму акумулятора на змінний струм, необхідний для роботи більшості домашніх приладів, використовуються інвертори. Вхідна напруга постійного струму на акумуляторі зазвичай від 12 до 48 В. Якщо дальність передачі невелика, тоді використовується 12-вольтова система. Для передачі великі відстані використовується вищу напругу.

Гідросистеми змінного струму

Гідросистеми змінного струму переважно використовуються комунальними підприємствами. Система змінного струму не потребує акумулятора. Це означає, що генератор повинен бути здатний забезпечити безперервну потребу в електроенергії, включаючи максимальне навантаження. Найбільш важкий режим - періоди пікового навантаження в мережі під час роботи холодильників, посудомийних машин та деяких інших побутових приладів. У гідросистемах змінного струму вироблена електроенергія не акумулюється, тому будь-який надлишок електроенергії використовується відразу ж, наприклад, для водонагрівача. У більшості випадків є достатній надлишок електроенергії для підігріву води або опалення приміщення.

Насос-турбіни

Високий рівень капіталовкладень, необхідних для будівництва малих ГЕС, тривалий час залишався основною перешкодою розвитку цього напряму гідроенергетики. Скорочення капіталовкладень можна досягти шляхом стандартизації устаткування, але сфера застосування стандартизованого устаткування обмежена, оскільки немає двох цілком однакових об'єктів. Зусилля, створені задля зниження вартості ГЕС у вигляді використання місцевих ресурсів, є найперспективнішими, значною мірою завдяки нижчої оплати праці місцевого населення. Однак, у такому разі, вимоги до проектування, роботи та іноді надійності об'єкта також можуть бути занижені.

Використання стандартних насосів, що працюють у режимі турбіни, так звані насос-турбіни (НТ), може бути альтернативою традиційним гідротурбінам, причому з великою економічною перевагою. Цей "вигляд" турбін може відіграти вирішальну роль у розвитку малої гідроенергетики. Єдина відмінність НТ від традиційних турбін у тому, що через відсутність гідравлічного контролю джерело води не може використовуватися так само ефективно, як у турбіні.

Області застосування насос-турбін

Насоси можуть працювати в реверсивному режимі так само ефективно, як і турбіни. Завдяки цій характеристиці, стандартні насоси частіше стали використовуватися в малій та мікрогідроенергетиці. Однак продуктивність в обох режимах не однакова: в режимі турбіни швидкість потоку та натиск перевищують величини, характерні для роботи обладнання в режимі насоса. Головна причина цієї відмінності пов'язана із гідравлічними втратами. Насос-турбіни можуть використовуватися як привід для машин, що працюють в агропромисловому комплексі та інших галузях промисловості (млини, нафтові насоси, очищувачі рису, тартак, деревообробні та металообробні майстерні), а також для вироблення електроенергії на автономних станціях і на станціях, приєднаних до загальної енергомережі.

Переваги насос-турбін

Капітальні витрати на насос-турбіну можуть бути на 50% нижчими порівняно з порівнянною турбіною (особливо для малих механізмів потужністю нижче 50 кВт). Це може стати важливим аргументом для проектів з обмеженим бюджетом.

Відсутність гідравлічного пристрою, що контролює потік, зазвичай сприймається як недолік, але в той же час є перевагою, оскільки конструкція насоса проста і надійна.

Завдяки своєму широкому застосуванню в різних галузях промисловості, для іригації, водопровідних системах, придбати стандартний насос легко, т.к. виробники насосів або їх представники є у всіх країнах.

Запасні деталі насосів також доступні, майже в усіх країнах світу існує післяпродажне обслуговування насосів виробниками.

Для їх обслуговування не потрібно ні спеціального обладнання, ні особливої кваліфікації.

Недоліки насос-турбін

Немає гідравлічного контролю потоку, тому контрольний клапан має бути вбудований у трубопровід, що, природно, викличе додаткові витрати. Якщо клапан використовується не тільки для запуску та зупинки насоса, але і для його регулювання відповідно до сезонних коливань потоку, гідравлічні втрати різко зростуть.

При частковому навантаженні ефективність роботи НТ набагато нижча, ніж у традиційних турбін, що мають ефективне гідравлічне управління (поворотні напрямні лопатки, сопла або робочі лопаті) для регулювання машини відповідно до змінного потоку або необхідної вихідної потужності. Якщо НТ використовуються в потоці, відмінному від розрахункового, тобто нижче за їх проектну максимальну величину, відбувається відносно швидке зменшення ККД.

Недоліки НТ можна мінімізувати, якщо насос ретельно підібрати та застосувати у відповідних умовах. У разі неефективного використання машини її низька продуктивність зведе на "ні" фінансову перевагу, отриману від низької вартості насоса.

Відмінності між насосами та турбінами

Насоси зазвичай працюють з постійною швидкістю, напором та потоком. Насос розроблений для роботи з постійними параметрами і не вимагає регулюючого пристрою, наприклад, направляючої лопатки. Турбіни функціонують в умовах змінного натиску та потоку. У малій ГЕС потік повинен бути регульованим, щоб пристосовуватися до сезонних коливань водного ресурсу або контролювати обсяг електроенергії, що виробляється відповідно до вимог споживачів. Потік регулюють поворотні напрямні лопатки та (або) робочі лопаті (або сопла, керовані клапаном).

Насоси, що використовуються в режимі турбіни

Фактично будь-який насос може використовуватися як турбіна. Однак, головна перевага НТ - його низька вартість у порівнянні зі звичайною турбіною - характерна, в першу чергу, для стандартних відцентрових насосів, у той час як насоси осьового потоку дорожчі і тому менш вигідні. Різноманітні конструкції насосів і широкий діапазон вихідних потужностей забезпечує можливість використання НТ для напору від 10 м до декількох сотень метрів. Навіть насос, що занурюється у воду, може використовуватися як НТ.

Хоча НТ широко застосовуються для малих об'єктів гідроенергетики, вони можуть повсюдно замінювати звичайні турбіни. Так як НТ немає пристроїв гідравлічного контролю напору, вони зазвичай не підходять для роботи в умовах змінного потоку. Дроселювання потоку за допомогою контрольного клапана в турбіні неефективно та рідко застосовується.

Плунжерний насос

Плунжерний насос з'явився на початку ХХ століття і був дуже популярним у фермерів, які мають джерела води на своїй землі. З появою електроенергії та водних магістралей їх застосування різко скоротилося. Проте цей пристрій навіть сьогодні є джерелом дешевої енергії. Плунжерні насоси не виробляють електроенергію, вони перекачують воду більш високий рівень, використовуючи лише тиск води. Жодне інше джерело енергії не потрібне. Плунжерні насоси не потребують додаткового обладнання, спеціального обслуговування та умов.

Плунжерні насоси довели свою надійність: понад 100 років вони використовуються, залишаючись одним із прикладів практичних та ефективних технологій відновлюваної енергетики. Плунжерні насоси відносно дешеві, термін їхньої експлуатації майже необмежений. Для ефективної роботи плунжерного насоса необхідно виконання лише двох умов: наявність джерела води (потік або потік), що забезпечує витрату 4 літри в хвилину і можливість забезпечення "падіння" цієї води. Плунжерні насоси найчастіше використовуються для таких цілей:

• водопостачання невеликих населених пунктів;
• іригація;
• підйом та циркуляція води для промислових установок;
• циркуляція води для теплових насосів;
• циркуляція води для сонячних панелей.

Як працює плунжерний насос

В основі роботи плунжерних насосів лежить циклічний процес. Циклічність здійснюється внаслідок роботи двох клапанів насоса. Вода, що надійшла в напрямну трубу, тече по ній під дією гравітації, поки не досягає плунжера, потім проходить крізь плунжер і під впливом імпульсного клапана скидається в дренаж. Під час руху швидкість потоку зростає до того моменту, коли імпульсний клапан не в змозі більше пропускати потік і в цей момент клапан раптово закривається. Вихід, таким чином, перекривається, перебіг води зупиняється, що, у свою чергу, викликає коливання корпусу плунжера, розмір яких відповідає висоті та відстані, пройденій потоком.

Внаслідок цих коливань плунжера частина води в корпусі плунжера "видавлюється вгору" в повітряний циліндр через нагнітальний клапан. У той же час механічна віддача дозволяє імпульсному клапану повернутися до вихідного положення. Вихідний отвір, таким чином, знову відкривається, і потік, який раніше зупинений клапаном, відновлює свій рух, поки не набирає швидкість, необхідну для впливу на клапан вдруге, і т.д. Цей цикл повторюється від 40 до 90 разів на хвилину, залежно від розміру плунжера, падіння водяного потоку і т.д. Плунжер може працювати автоматично протягом декількох місяців, без сервісного втручання, оскільки єдиними частинами, що рухаються, є імпульсний і нагнітальний клапани, виготовлені з гуми.

Вода, що виштовхується в повітряний циліндр, потрапляє в напірну трубу і вже по ній надходить до вентиля. Водяний потік не припиняється протягом усього часу роботи плунжера. Для того, щоб підняти воду на висоту від 10 м до 15 м, висота, з якої відбувається падіння води, необхідне для роботи плунжера, може не перевищувати 0,5 м. Для підйому води на рівень до 100 м, або для її передачі трубопроводу на відстань до 1 км висота падіння води має бути в діапазоні від 2 до 10 метрів.

Сама собою установка надзвичайно проста. Все, що потрібно - це джерело води, що знаходиться на місці передбачуваної установки. Дренажна труба йде від джерела води безпосередньо до плунжера. Труба має бути великого перерізу та виготовлена ​​з нержавіючої сталі або чавуну. Її довжина залежить від висоти, яку вода повинна закачуватися. Корпус плунжера може бути будь-якою, найважливіша умова - це правильно зробити бетонну основу, на якій кріпиться плунжер. На роботу плунжера не впливають температурні зміни, на відміну від традиційних систем, коли за низьких температур система може покритися льодом.

Принципи вибору місця для встановлення малих ГЕС

Маючи безпосередній доступ до джерел води, багато людей не знають, яка кількість енергії може бути вироблена, використовуючи це джерело води. Майже будь-яке місце, де збудовано будинок, має достатній сонячний потенціал для встановлення ФЕБ. У багатьох місцях можна використовувати енергію вітру. Але наявність джерела води ще нічого не говорить про гідроенергетичний потенціал цього місця. Озеро чи колодязь немає ніякого енергетичного потенціалу. Вода має бути проточною. Багато факторів визначають доцільність малої або мікрогідросистеми, а саме:

• Кількість енергії, яку можна отримати при використанні даного потоку та його достатність для задоволення енергопотреб.
• Існуючі правові обмеження (місцевого або державного рівня) на розробку гідроенергетичного потенціалу даного місця та використання води.
• Доступність турбін та генераторів необхідного типу та потужності.
• Вартість розробки та обслуговування об'єкта.
• Вартість одного кВт·год виробленої електроенергії при передачі її споживачам у разі приєднання ГЕС до їх енергомережі.

Щоб відповісти на запитання: "Чи маю місце, яке підходить для використання гідроенергетичної технології для вироблення електроенергії?", необхідно дослідити наступні фактори:

• Напір або висоту падіння, яке має джерело води.
• Кількість води, доступна для генерування електроенергії.
• Довжину труби, яка з'єднуватиме джерело води з ГЕС.
• Відстань від ГЕС до акумулятора або, у разі генерування електроенергії зі змінним струмом, безпосередньо до джерела споживання.

За цими показниками можна визначити не тільки доцільність вироблення електроенергії в конкретному випадку, а й відповісти на такі питання: який діаметр труби необхідний, який тип станції використовувати, яка буде зразкова продуктивність, і які будуть витрати.

Перший крок в оцінці доцільності будь-якої гідроенергетичної системи – визначення потужності, яку може дати потік у цьому місці.

Потік (витрата) - це кількість води, що протікає через турбіну. Зазвичай потік вимірюється у кубічних метрах за секунду - м3/с.

Напір - величина, що характеризує тиск падаючої води в турбіні, виражена в метрах водяного стовпа. Цей тиск функціонально залежить від вертикальної відстані, з якої вода падає, та Характеристики каналу або труби, якими вона тече. Необхідно відрізняти напір від статичного напору, який є різницею висот між горизонтом води аванкамери, що відводить каналу, і власне робочого напору, який є фактичним тиском на турбіну. Щоб отримати власне робочий напір, необхідно зробити поправки на втрати в напірній трубі, що відводить. Статичний натиск може бути визначений топографічним шляхом, використовуючи рівень та рулетку. Натиск виявляється у метрах. Інтенсивна витрата та (або) натиск означає більшу кількість корисної енергії. Чим вище натиск, тим краще, тому що менше води знадобиться для виробництва певної кількості енергії. Крім того, можуть використовуватися менші за розміром і менш дорогі турбіни та трубопроводи.

З точки зору гідроенергетики, місце можна класифікувати як "низько-" або "високонапірне". Малий напір зазвичай відноситься до різниці висот менше 3 м. Вертикальне падіння з висоти меншої, ніж 0,6 метра, зробить, ймовірно, встановлення гідроенергетичної системи недоцільною. Велика витрата води може компенсувати малий натиск, але тоді знадобиться більша, а отже, і дорожча турбіна. Досить складно знайти турбіну, що ефективно працює при дуже малому натиску та невеликій витраті води.

Конфігурація малих ГЕС

Малі гідротурбіни можуть бути сконфігуровані так, щоб вони могли ефективно функціонувати в місцях з широким діапазоном напорів і потоків. У разі мікросистем з акумуляторами правильна оцінка джерела води може допомогти зменшити розміри інших компонентів системи, наприклад, акумуляторів. Розмір батареї для ФЕС зазвичай вибирають таким, щоб була можливість постачати електрику споживачів за відсутності сонця протягом п'яти хмарних днів, тоді як малі гідросистеми зазвичай можуть забезпечити акумульованою енергією лише один або два дні. Важливо оцінити гідроресурс під час дощових та посушливих сезонів. Відповідальністю кожного, хто використовує гідроресурси, є правильна оцінка впливу майбутньої ГЕС на екологію русла. Потрібно розуміти та враховувати всі регулюючі чи правові обмеження, що діють у країні. Основне правило, що діє під час будівництва ГЕС, наступне: відбирати не більше 10% мінімального потоку. Зауважте, що у багатьох країнах суворо регулюються питання, пов'язані з використанням, керуванням та зміною потоку. Будь-яка зміна русла річки або берега може вплинути на якість води або місце існування живої природи, незалежно від того, знаходиться потік на приватній території чи ні.

Визначення напору

При визначенні напору необхідно враховувати повний (статичний) натиск і робочий (динамічний) натиск. Повний напір - це вертикальна відстань між вершиною труби, що підводить (труба, що підводить воду під тиском до турбіни) і точкою, де вода звільняється з турбіни. Робочий напір - це повний тиск мінус тиск або гідравлічні втрати, пов'язані з тертям і явищем турбулентності в трубі. Ці втрати залежать від типу, діаметра, довжини труби, кількості вигинів та колін. Можна використовувати повний напір для приблизної оцінки потужності, але для підрахунку дійсної потужності необхідно використовувати дані по робочому натиску. Існує кілька способів визначення повного тиску. Найточніша методика – професійне дослідження місцевості. Якщо ви знаєте, що висота падіння води дорівнює декільком десяткам метрів, можна використовувати авіаційний висотомір – менш дорогий прилад, але й менш точний спосіб. У деяких країнах можна купити або орендувати висотомір в аеропорту або аероклубі. Важливо враховувати атмосферний тиск і калібрувати висотомір. Інший спосіб - використовувати метод "шланга/труби", описаний нижче.

Який би метод ви не використовували, необхідно визначити вертикальну відстань між точкою входження води в трубу, що підводить, і точкою виходу води з турбіни. Завжди дотримуйтесь техніки безпеки при роботі навколо або в потоці, особливо у вузьких або крутих руслах та швидкій проточній воді. Ніколи не працюйте самотужки. Ніколи не входьте у воду, в якій не видно дна або не дослідивши глибину водойми жердиною.

Для визначення напору методом "шланг/труба" вам потрібний помічник. Крім того, вам знадобиться 6-9-метровий садовий шланг малого діаметру або інший гнучкий трубопровід, розтруб і вимірювальна лінійка або мірна стрічка. Розтягніть шланг або трубу вниз по руслу річки від точки, яку ви визначили як найбільш підходящу для трубчастого водозабору. Нехай ваш помічник тримає вхідний патрубок шланга із розтрубом під водою якомога ближче до поверхні води. У цей же час піднімайте кінець шланга, що знаходиться нижче за течією, доки вода не перестане литися з нього. Виміряйте вертикальну відстань між кінцем труби та поверхнею води. Це і буде величина статичного натиску для перетину потоку на відстані між вами та вашим помічником.

Нехай ваш помічник підійде до того місця, де ви проводили вимірювання, і опустить у цьому місці розтруб у воду. Ви продовжуйте йти вниз за течією та повторіть процедуру вимірювання. Продовжуйте вимірювання до точки, де планується встановлення турбіни. Підсумовування результатів вимірювання дасть приблизне значення статичного тиску для вашого розташування. Зауважте, що завдяки силі води, що втікає у вхідний патрубок шланга, вода може литися крізь шланг після того, як обидва кінці шланга знаходяться на одному рівні. Щоб зважити на це явище, ви можете відняти кілька сантиметрів від значень, отриманих при кожному вимірі. Під час проведення цих попередніх вимірювань потрібно дотримуватись заходів безпеки.

Визначення витрати води

Довкілля та кліматичні умови, як і втручання людини в районі вододілу, визначають щоденні та сезонні Характеристики потоку. Водосховище може контролювати витрати, але якщо греблі ще не існує, її будівництво може значно збільшити фінансові та юридичні проблеми. Дані щодо водотоку можна отримати з місцевих установ або уповноважених щодо постачання води та регулювання стоку даного регіону. Якщо такі дані неможливо отримати, необхідно провести власне дослідження джерела води.

Якщо ви не плануєте будувати водосховище, за основу для проектування системи можна взяти середньорічні дані, що відображають найнижчі рівні швидкості потоку. Як альтернативу можна використовувати середньостатистичні дані у передбачувані періоди максимальної потреби в електроенергії. Ці дані можуть збігтися або збігтися з періодом найнижчої швидкості потоку. Можуть бути правові обмеження на кількість води, яку можна витрачати у певний час року. У такому випадку ви повинні використовувати цю кількість як основу для проектування.

Вимірювання величини потоку трохи важче. Насамперед тому, що виміри потрібно провести у кількох місцях. Це з тим, більшість потоків " вбирає " воду під час руху. Тому вибір найкращого положення для вашої системи потребує ретельного дослідження. Існує кілька способів виміру витрати води. Розглянемо два із них. В обох випадках вся вода має пройти через трубу чи греблю. Загальний метод вимірювання витрати води у малих потоках - метод " відра " . Він полягає в тому, щоб запрудити потік колодами або дошками і відхилити його до відра або в іншу ємність. Цей метод є найпростішим для вимірювання витрати води за значень менше 5 л/сек.

Подібна витрата води забезпечує роботу більшості малих гідросистем. Отже, як зазначалося раніше, необхідно побудувати тимчасову дамбу, потім приладнати коротку трубу, з досить великим діаметром для того, щоб керувати всією водою в дамбі, яку ви плануєте використовувати для генерування електроенергії. Використовуючи відро відомої ємності та секундомір, можна підрахувати час, який потрібний для наповнення відра. Процедуру потрібно повторити кілька разів, щоб упевнитись у точності результатів. Час, необхідний наповнення відра і є витрата води. Наприклад, якщо 20-літрове відро наповнилося за одну хвилину, то витрата води становить 20 літрів за хвилину.

Можна також використовувати інший метод грубої оцінки потоку. Для проведення досліджень цим методом потрібно перейти річку вбрід. Не використовуйте цей метод, якщо потік швидкий, а глибина водоймища вище пояса, тому що ви можете втратити рівновагу і потонути. Ніколи не входьте в річку чи струмок, якщо не видно дна! Завжди перевіряйте глибину і рельєф дна жердиною, перш ніж увійти у воду. Для виконання вимірювань цим методом вам знадобиться помічник. З інструментів необхідно взяти рулетку, вимірювальну лінійку або калібровану жердину, важкий поплавець (пластикова пляшка, наполовину заповнена водою), секундомір та трохи міліметрового паперу. Почніть з обчислення площі поперечного перерізу потоку під час найнижчої витрати води.

Щоб зробити це, виберіть ділянку річки з прямим руслом та максимально однаковою глибиною та шириною. У вузькій точці цієї ділянки виміряйте ширину потоку. Потім з вимірювальною жердиною пройдіть поперек потоку і виміряйте глибину з інтервалом 30 см. Переконайтеся, що тримайте вимірювальну жердину вертикально. Для зручності можна розтягнути поперек потоку струну або мотузку, на якій відмічені необхідні інтервали. Позначте ці глибини на міліметрівці. Таким чином, ви отримаєте профільний переріз потоку. Визначте площу кожного квадрата профільного перерізу потоку, обчислюючи площі прямокутників та трикутників у кожному перерізі. Підсумуйте всі отримані значення для загальної площі.

Потім визначте швидкість потоку. Від точки, де ви виміряли ширину, відміряйте 10 м вгору за течією і відпустіть поплавець на середину потоку. Точно засікайте час, який потрібно поплавку, щоб пройти відстань між двома точками. Простежте, щоб поплавець не вдарявся або не тягнувся дном. Якщо це відбувається, використовуйте менший поплавець за розміром. Розділивши відстань між двома точками на час проходження його поплавком (у секундах), ви отримаєте швидкість потоку в метрах за секунду. Повторіть цю процедуру кілька разів, щоб отримати середнє значення. Чим більше вимірів ви зробите, тим більш точний результат вийде. Якщо поплавок застряє, починайте спочатку, інакше отримані результати будуть дуже неточними. Помножте середню швидкість на площу поперечного перерізу потоку. Отриману величину помножте на коефіцієнт, який враховує шорсткість дна річки (0.8 для піщаного дна, 0.7 для кам'янистого дна з дрібним камінням і 0.6 для дна з великим камінням). В результаті вийде витрата в кубічних метрах за секунду.

Майте на увазі, що ця величина буде відображати витрати саме під час вимірювання. Потрібно повторити процедуру кілька разів під час сезону, коли потік невеликий, щоб точніше оцінити середню витрату низької води. Немає необхідності вимірювати глибину щоразу. Достатньо виміряти глибину води вище або нижче рівня води, коли ви вперше проводили вимірювання, і обчислити площу для більшої або меншої кількості води, додати або відняти це значення від базової площі поперечного перерізу.

Можна також на березі встановити позначку рівня води за допомогою каліброваного жердини або стовпчика, і тоді ви легко визначатимете рівень води і обчислюватимете площу поперечного перерізу потоку. Однак процедуру визначення швидкості потоку потрібно у будь-якому разі повторювати щоразу.

Можливо, ви зможете відкоригувати дані, отримані в результаті вимірювань, за допомогою даних про випадання опадів у цій місцевості протягом тривалого терміну або даних про потоки прилеглих річок.

Пам'ятайте, що, незалежно від отриманої величини витрати, ви можете законно використовувати лише деяку кількість потоку! Також спробуйте визначити, чи існують плани розробки або зміни ландшафту вгору за течією від планованого місця встановлення ГЕС. Лісозаготівлі, наприклад, можуть істотно змінювати водотік.

Втрати в системах трубопроводу

Необхідно враховувати втрати в системі трубопроводу, спричинені шорсткістю стінок труби та кріплення, які призводять до незворотного перетворення енергії поточної рідини на теплоту. Розрізняють дві форми втрат: втрати через тертя та місцеві втрати. Втрати через тертя відбуваються через напруження зсуву між суміжними шарами води, що ковзають один по одному з різною швидкістю. Найтонший з водяних шарів, що стосується стінки труби, не рухається, а швидкість кожного шару концентричного кола збільшується до центру труби.

Якщо частинки рідини пересуваються гладкими шарами, потік називають ламінарним або в'язким. В інженерній практиці потік у трубопроводі зазвичай є турбулентним, тобто частки рухаються безладно та зі змінною швидкістю. Важливо використовувати трубопровід достатнього діаметра, щоб мінімізувати втрати на тертя від води, що рухається. Бажано, щоб трубопровід був закопаний у землю, оскільки це знижує вібрацію труби.

Місцеві втрати виникають при зміні розмірів поперечних перерізів у клапанах та у вигинах труб. Ці втрати іноді вважають незначними, оскільки у довгому трубопроводі їх вплив може бути відносно малим порівняно із втратами через тертя.

Визначення потужності

І натиск, і потік відіграють важливу роль для вироблення електроенергії. Навіть витрата кількох літрів води за секунду може бути корисною, якщо є достатній напір.

Оскільки потужність дорівнює добутку величини напору на величину потоку, отже чим більше обидві величини, тим більше енергії можна виробити.

Щоб обчислити корисну потужність, потрібно також враховувати втрати напору через рідинне тертя в трубопроводах і коефіцієнт корисної дії (ККД) машин, що використовуються. Проста формула для потужності, що потенційно виробляється, виглядає наступним чином:

Потужність (кВт) = Напір (м) x Витрата (т/с) x Прискорення вільного падіння (9,81) x ККД (0,6)

де
Натиск = робочий натиск = статичний натиск - втрати (м);
загальний ККД було встановлено у розмірі 60%.

Для малих потужностей, у першому наближенні, формула може бути спрощена:

Потужність (Вт) = Напір (м) x Витрата (л/сек): 2

Тут загальний ККД приймається за 50%. Тим не менш, потрібно ставитись з обережністю до емпіричних обчислень.

Значення ККД в межах 50-60% (включаючи ККД турбіни та генератора), які були обрані для вищезгаданих рівнянь, залежать від робочих умов (напору та потоку). Взагалі малонапірні тихохідні водяні колеса менш ефективні, ніж швидкісні високонапірні турбіни. Загальний ККД системи може змінюватись між 40 % і 70 %. Добре спроектована система досягає середнього ККД 75%. Виробники турбіни повинні забезпечити максимально можливу вихідну потужність для турбіни, виходячи з вашого напору та витрати. Також будуть "лінійні" втрати в електропроводах, що передають електроенергію від генератора до місця споживання.

Акумулятора для накопичення електроенергії та турбіни/генератора потужністю 500 Вт (12 кВт·год на день) буде достатньо для освітлення невеликої будівлі, забезпечення роботи холодильника, телевізора та інших побутових приладів. Пам'ятайте, що економне використання енергії та використання енергозберігаючих приладів може значно знизити енергоспоживання.

Розрахувати щорічне виробництво електроенергії (E) можна за формулою:

E (кВт·год) = Потужність (кВт) x Час (година)

де "час" - кількість годин експлуатації на рік. Найчастіше передбачається 5000 годин.

ДЛЯ ДОВІДКИ

У типовій малій ГЕС кожен літр за секунду (0.001 м3/с) води, що падає з висоти 1 метр, може виробити 20 - 30 кВт·год електроенергії щорічно.

Перекладні коефіцієнти

Ось деякі з переказних коефіцієнтів, які можуть знадобитися при оцінці потужності ГЕС:

• 1 кубічний фут (cf) = 7,48 галонів;
• 1 кубічний фут за секунду (cfs) = 448,8 галонів за хвилину (gpm);
• 1 дюйм = 2,54 сантиметри; 1 фут = 0,3048 метра;
• 1 метр = 3,28 футів; 1 cf = 0,028 кубічних метрів; 1 м3 = 35,3 cf;
• 1 галон = 3,785 літра; 1 cf = 28.31 літрів; 1 cfs = 1698,7 літрів за хвилину;
• 1 кубічний метр за секунду (м3/с) = 15842 gpm;
• 1 фунт на квадратний дюйм (псі) тиску = 2,31 фута (напору) води;
• 1 фунт (lb) = 0,454 кілограмів;
• 1 кг = 2,205 фунта;
• 1 кіловат (кВт) = 1,34 кінських сил; 1 л.с. = 746 Ватт.

9. Енергія океанів

Океани здавна вважалися потенційним джерелом енергії. Припливи, течії та хвилі виробляють механічну енергію. Цю енергію за допомогою різних технологій можна перетворювати на електроенергію.

Енергія припливів та відливів

Припливи та відливи відрізняються від усіх інших джерел енергії тим, що в даному випадку йдеться про потенційну та кінетичну енергію системи "Земля - ​​Місяць - Сонце". Як відомо, припливи та відливи океанів виникають завдяки впливу Місяця на Землю. У цьому змінюється рівень морських вод вздовж берегової лінії всіх континентів. Оскільки рівень води коливається двічі на день, вона по черзі "заповнює" та "звільняє" частину території узбережжя, утворюючи таким чином природні басейни. Потоки, що випливають з цих басейнів, могли б використовуватися для руху гідротурбін, з'єднаних з генераторами, що виробляють електроенергію. Чим вище припливи, тим більше електроенергії може бути вироблено в цьому місці. Технологія, яка використовує джерело енергії, схожа на гідроенергетичну технологію при малому натиску.

Потенціал

Світовий потенціал енергії припливів та відливів оцінюється у розмірі близько 3000 ГВт. Експерти вважають, що лише 2% або 60 ГВт може бути використано для вироблення електроенергії. В даний час вважається економічно доцільним вироблення електроенергії за рахунок припливів та відливів тільки в місцях з їхньою амплітудою понад 5 м.

У деяких регіонах використання енергії припливів і відливів є досить привабливим, особливо для берегових областей і в дельтах річок, де амплітуда припливів і відливів зазвичай вища за середню. Такі умови виявлені, наприклад, у Канаді, де середня амплітуда припливів та відливів дорівнює 10,8 м, а також у гирлі річки Северн в Англії, де середній показник амплітуди сягає 8,8 м. Великомасштабні проекти у цих місцях були б економічно вигідними.

Розвиток

За останні сорок років інтерес до використання енергії припливів та відливів постійно зростав. Спочатку увага вчених була сконцентрована в основному на гирлах річок, де великі об'єми води з великою швидкістю проходять через вузькі канали. Інженери вважали, що блокуючи гирла річок греблею і змушуючи воду проходити через турбіни, можна було б ефективно генерувати електроенергію. З технічного погляду вони мали рацію. Але велика екологічна шкода від таких проектів була очевидною.

Сьогодні існує три промислові електростанції, що працюють за рахунок енергії припливів та відливів: 240 MВт-на станція, яка була побудована в гирлі річки Ла Ранс біля Сен-Мало (Франція) у 1967 р., 1 МВт-на станція на Білому море в Росії, закінчена в 1969 і 16 MВт-на станція в Новій Шотландії (Канада). Проблеми, пов'язані з навколишнім середовищем, зупинили розвиток технології, заснованої на загородженні гирла річки.

Припливна станція на річці Ла Ранс

Електростанція на річці Ла Ранс має турбіни, які також можуть працювати в режимі насосів; таким чином, установка може функціонувати як насосно-акумулююча станція для вирівнювання навантаження в мережі. Вода, що закачується в резервуар у періоди низького споживання електроенергії, збільшує тиск на турбінах в періоди пікового навантаження в мережі. Амплітуда припливів та відливів у гирлі річки Ла Ранс досягає 13,4 м. Ширина дамби становить 760 м. За високого рівня води дамба "захоплює" води Атлантики в затоці. За низького рівня вода тече назад до моря. Дорогою вода проходить через 24 турбіни, з'єднані з генераторами встановленою потужністю 240 МВт. Електроенергії, що виробляється, достатньо для енергозабезпечення міста з населенням у 300 000 осіб.

Технологія

В основі традиційної технології, заснованої на загородженні каналу гирла річки, лежить наступний принцип: вода накопичується під час припливів, а в періоди відливів її скидають для роботи гідротурбіни. Ця методика передбачає створення загородження (невисокої греблі) для огородження території гирла річки, що потрапляє під припливи, дозволяючи приливному потоку акумулюватися на океанській стороні греблі. Генерування енергії відбувається протягом кількох годин під час високого рівня води. У такий спосіб працює і електростанція на Ла Ранс. Після того, як рівень води досягає максимальної позначки, запірні клапани закриваються.

Запружена вода спускається під час відливу. Затвори відкриваються або закриваються відповідно до припливів, що дозволяють протягом води тільки при натиску, необхідному для обертання турбін. Основна технологія вироблення електроенергії подібна до гідроенергетичної технології при малому натиску, тобто. вода проходить через турбогенератор під дією напору. Головна відмінність цієї технології, окрім постійного знаходження турбін у солоній воді, полягає у наступному. Турбіни електростанції, що працює на припливах і відливах, повинні працювати при регулярно змінюваному натиску води, що впливає на коефіцієнт використання встановленої потужності. Ці електростанції можуть виробляти приблизно одну третину електроенергії, що виробляється ГЕС такої ж встановленої потужності.

Екологічні проблеми

Для збільшення вироблення електроенергії необхідно збільшувати розміри загороджень, що блокують канал гирла річки. Зі збільшенням розміру водойми зростає негативний вплив на екологію цього регіону. Зокрема блокується навігація; виникає перешкода для міграції риби; риба гине, проходячи через турбіни; змінюється локалізація та природа припливно-відливної зони; змінюється режим припливів та відливів у нижній течії річки; знищується місце існування птахів, що живуть у мілководді; осад, що скупчився за загородженням, може зменшити обсяг гирла річки.

Турбіни, що працюють за рахунок течій припливів та відливів

На початку 90-х років ХХ століття інтерес до електростанцій, що працюють у гирлах річок, впав. Вчені та інженери почали вивчати можливість використання берегових течій для виробництва електроенергії. Замість використання дорогих загороджень та гідротурбін малого напору, більш перспективним виглядає використання кінетичної енергії швидких припливних течій. При цьому застосовуються відносно прості машини: турбіни, що працюють за рахунок течії припливів та відливів. У багатьох місцях, завдяки рельєфу морського дна, вода тече крізь вузькі канали або навколо підводних скель, подібно до вітру, що проноситься над рівнинами і навколо пагорбів. Однак морська вода має набагато більш високу густину в порівнянні з щільністю повітря (у 832 рази вище). Тому потоки, що поточні зі швидкістю 9,25 - 16,7 км/год, мають такий самий енергетичний потенціал, як вітер при швидкості 390 км/год! Крім того, на відміну від вітру, прибережні потоки припливів передбачувані. Періоди припливів та відливів змінюються кожні дванадцять годин, утворюючи водні потоки, що досягають максимальної швидкості чотири рази на день.

Технологія з використанням турбін, що працюють за рахунок течій припливів та відливів, є головним "конкурентом" технології загороджень. Проте слід зазначити, що ця технологія перебуває ще на стадії розвитку. Подібні до підводних вітротурбін, що працюють за рахунок течій припливів і відливів турбіни мають цілу низку переваг у порівнянні з загородженнями. Вони менш руйнівні для живої природи, дозволяють малим судам плавати безперешкодно і вимагають менших матеріальних витрат, ніж будівництво греблі. Робота таких турбін ефективна за наявності берегових потоків, що мають швидкість 2-3 м/с. Використання слабших потоків економічно недоцільно, а сильніші потоки можуть пошкодити устаткування. За наявності потоку швидкістю 2-3 м/с турбіна діаметром 20 м виробить таку ж кількість енергії, як ВЕУ з лопатями діаметром 60 м. Перевага цієї турбіни полягає також у тому, що її не видно і не чути, тому що весь агрегат (крім трансформатора) знаходиться нижче поверхні води.

У світі існує багато регіонів, де використання цієї технології було б економічно вигідним. Найсильніші прибережні потоки виявлено на кордонах світових океанів. Потенціал цього енергетичного ресурсу оцінюється експертами більш ніж 330 000 MВт. Південно-Східна Азія, зокрема, узбережжя Китаю та Японії - це ті території, де течії припливів та відливів могли б ефективно використовуватися для вироблення електроенергії.

Ідеальне місце для такої установки - ділянка, розташована недалеко від берега на глибині приблизно 30м, де при оптимальних швидкостях підводних течій можна було б виробляти більш ніж 10 МВт·год електроенергії на км2. Експерти ЄС вже визначили 106 місць, які підходять для встановлення турбін, що працюють за рахунок течій припливів та відливів; 42 з них – у прибережній зоні Великобританії. Очікується, що ціна енергії, виробленої цими турбінами, буде на рівні 0,10 доларів США за 1 кВт·год. Це дорожче, ніж електроенергія, отримана за рахунок традиційних джерел енергії (вугілля, газ), але значно нижча від вартості електроенергії, яку споживають жителі островів. У міру подальшого розвитку технології вартість електроенергії, ймовірно, знижуватиметься.

Енергія хвиль

Хвилі утворюються завдяки вітру, що дме вздовж океанської поверхні. Вся енергія концентрується поблизу поверхні води в шарі не товщі за 50 метрів. Завдяки цьому, океанська хвиля є високо сконцентрованим джерелом енергії, менш схильним до погодинних і щоденних змін, ніж інші відновлювані джерела енергії, наприклад, вітер або сонце.

Хвилі проходять великі відстані та діють як ефективний механізм "транспортування енергії" на тисячі кілометрів. Хвилі, що виникають під час шторму в центральній частині Атлантичного океану, сягають узбережжя Європи без значних енергетичних втрат.

Використання енергії хвиль може зробити значний внесок у світове виробництво та забезпечення електроенергією за умови, що буде розроблено економічно обґрунтований спосіб вилучення цієї енергії. Максимальна концентрація енергії хвиль перебуває у областях, схильних до найсильніших вітрів, тобто. між широтами 40о і 60о на східних узбережжях океанів Північної та Південної півкуль.

Технології

Хвильові установки "витягують" енергію хвиль і перетворюють її на електроенергію. Ці установки бувають різних типів: п'єзокварцеві перетворювачі, вхідні канали, що звужуються, і морські грейферні ковші. Зокрема, морські грейферні ковші використовують рух хвилі, змушуючи повітря проходити між лопатями, розташованими по периметру круглої плавучої установки. Повітря проходить крізь повітряні турбіни, що обертають вал, з'єднаний з електричним генератором.

Європа, особливо Великобританія, виявляє великий інтерес до розвитку технологій, заснованих на використанні енергії хвиль. Згідно з нещодавно проведеними дослідженнями, зараз існують установки, які можуть виробляти електроенергію за ціною, нижчою за 0,10 долара США за 1 кВт·год, за якої виробництво електроенергії стає економічно доцільним. Найбільш ефективний із створених на сьогодні пристроїв, "Качка Салтера", може виробляти електроенергію за ціною менше 0,05 долара США за 1 кВт·год. "Качка Салтера" була винайдена у 70-х роках ХХ століття професором Стівеном Салтером в Університеті Единбурга (Шотландія). Хоча пристрій працює досить ефективно, проект був практично закритий у середині 80-х через те, що у звіті ЄС ціна виробленої електроенергії за допомогою такої технології була помилково оцінена у 10 разів вищою за реальну. Наразі допущена помилка виявлена, і інтерес до пристрою Салтера знову зростає.

Грейферний ківш - інший пристрій, який, подібно до "Качки", може генерувати енергію, "використовуючи" коливання морської води. Грейферний ківш - пристрій із шістьма повітряними подушками, встановленими навколо порожнистого круглого стовпа. При ударі хвиль про конструкцію, повітря "видавлюється" між шістьма подушками через порожній стовп, який обладнаний турбінами, що самоналаштовуються. Навіть при врахуванні витрат на кабель, що з'єднує пристрій із берегом, підраховано, що грейферний ківш може виробляти електроенергію за ціною близько 0,06 долара США за 1 кВт·год.

Могутній кит

У липні 1998 року Центр морської науки та технології Японії розпочав роботу за проектом найбільшої у світі морської силової установки, повнорозмірний прототип якої був протестований у 2000 році.

Цей плавучий пристрій отримав назву "Могутній Кіт". Установка довжиною 50 м та шириною 30 м використовує хвилі Тихого океану для приводу трьох повітряних турбін (одна номінальною потужністю 50 кВт + 10 кВт та дві по 30 кВт), встановлених на бортовій платформі.

Після того, як прототип установки був відбуксований до місця швартування приблизно за 1,5 км від виходу із затоки Гокашо, він був поставлений на якір (приблизно на 40-метровій глибині) шістьма тросами; чотири троси у напрямку до моря і два - на підвітряному боці. За своєю міцністю троси розраховані на тайфун, а сама установка може витримувати 8-метрові хвилі. "Могутній Кіт" перетворює енергію хвилі в електроенергію, використовуючи водяні стовпи, що коливаються, для приводу повітряних турбін. Хвилі, що потрапляють всередину і витікають з повітряних камер, розташованих біля вхідного отвору, змушують рівень води в камерах підвищуватися та знижуватись. Під впливом води повітря входить або виходить із камер крізь сопла у верхній частині.

В результаті високошвидкісні потоки повітря обертають повітряні турбіни, які приводять у дію генератори. "Могутнім Кітом" можна керувати дистанційно з берега. У демонстраційному проекті вироблена електроенергія переважно використовується живлення бортових приладів; будь-який її надлишок акумулюється на батареях. Запобіжний клапан захищає повітряні турбіни від руйнування за штормової погоди, перекриваючи потік повітря, якщо швидкість обертання турбін перевищує певний рівень.

"Могутній Кіт" безпосередньо може бути використаний як метеостанція, як тимчасове місце швартування для малих суден або як платформа для лову риби.

10. Висновок

Нині технологія, заснована на використанні енергії припливів і відливів, як і технологія, що використовує енергію хвиль, знаходяться ще на стадії досліджень. На сьогоднішній день обидві ці технології поки що не є економічно доцільними порівняно з традиційними. Крім того, жодна з них не забезпечує стабільного виробництва електроенергії.

Сьогодні енергія хвиль успішно використовується в маломасштабних установках, що генерують електроенергію для освітлення маяків або навігаційних бакенів.

В даний час технологія, заснована на використанні енергії припливів і відливів, як і технологія, що використовує енергію хвиль, ще на стадії досліджень. На сьогоднішній день обидві ці технології поки що не є економічно доцільними порівняно з традиційними. Крім того, жодна з них не забезпечує стабільного виробництва електроенергії.

11. Питання для засвоєння пройденого матеріалу

1. Де встановлено найбільшу в світі діючу ГЕС, яка потужність цієї станції?
2. Яка потужність ГЕС "Плотина трьох ущелин", що будується в Китаї?
3. Які екологічні проблеми пов'язані з будівництвом великих ГЕС?
4. Як будівництво великої ГЕС впливає на соціальний розвиток регіону?
5. Назвіть основні параметри при оцінці гідроенергетичного потенціалу річки.
6. Опишіть принцип роботи електроакумулюючих електростанцій, її переваги.
7. У чому полягає основна відмінність між турбіною Пелтона і турбіною Френсіса?
8. У чому переваги малої гідроенергетики в порівнянні з великою?
9. Як впливає природний рівень води у річці на роботу малої ГЕС і чому?
10. У якій з країн, що розвиваються, широко поширені мініатюрні турбогенератори?
11. На який період часу розраховано роботу малої ГЕС?
12. У випадку, коли в наявності немає потрібної турбіни для малої ГЕС або її вартість дуже висока, ніж її можна замінити?
13. У чому різниця між ГЕС та плунжерним насосом?
14. На який максимальний рівень можна підняти воду, використовуючи плунжерний насос?
15. Який обсяг виробництва електроенергії очікується від ГЕС, встановленої в місці з напором води 20 м та витратою 0,5 м3/с?
16. Як впливає діаметр трубопроводу на ефективність роботи ГЕС?
17. Для чого використовуються акумулятори у мікро чи нано гідросистемах?
18. Як можна використовувати океани для виробництва енергії?
19. Де знаходиться найбільша у світі ГЕС, яка працює за рахунок припливів та відливів?
20. Чому подальше будівництво загороджувальних ГЕС, що працюють за рахунок припливів та відливів, було зупинено?

Наступний модуль