Малые ГЭС — виды и конструкции
Гидроэнергетические установки это совокупность компонентов, связанных между собой и служащих для преобразования энергии (кинетической и потенциальной) в электрическую или наоборот.
По существующей классификации к малым относятся гидроэлектростанции (ГЭС) мощностью до 10-15 МВт, в том числе:
малые ГЭС — от 1 до 10 МВт.
мини-ГЭС — от 0,1 до 1 МВт.
микро-ГЭС — мощностью до 0,1 МВт.
Решающую роль для мощности гидроэлектростанции играют расход и напор. Расход и напор регулируются с помощью запаса воды, заранее накопленной в верхнем бьефе. Чем больше воды в водохранилище, тем выше уровень верхнего бьефа, а соответственно и напор.
Источник гидроэнергопотенциала, используемого на ГЭС, — крупные средние и малые реки, ирригационные системы и системы водоснабжения, склоновый сток ледников и вечных снегов. ГЭС в основном отличаются друг от друга способом создания напора, степенью регулирования стока, типом установленного основного оборудования, комплексностью использования водотока (одно- или многоцелевое назначение) и т.д.
Малые гидроэлектростанции (малые ГЭС) играют особенно важную роль в электроснабжении автономных потребителей, рассредоточенных вдали от линий электропередачи. В статье рассмотрены распространенные конструкции, использующие энергию малых водотоков.
Установка для использования текущей среды показана на рис. 1 а. Функционирует она следующим образом. При воздействии на вертикальные лопасти 1 текущей средой, возникает гидродинамическая сила, приводящая в движение балластные ободы. Через кинематическую связь 3 опора передает крутящий момент на вал электрогенератора, при этом сам электрогенератор остается неподвижным. Данная гидроэнергетическая установка работает на равнинных водотоках, от размеров и энергии которых зависит ее мощность.
Рис. 1. Схемы работы равнинной гидроустановки: а) Равнинная гидроустановка, б) б) Гидроэнергетическая установка.
Гидроэнергетическая установка (рис. 1,б), двигаясь, использует энергию текучей среды посредством рабочего колеса 6. Рабочее колесо 1 содержит вал и расположенные на нем лопатки. Установка смонтирована на раме 7, закрепленной на понтонах 6. Перпендикулярно наклоненные к направлению потока воды лопатки меняют свою ориентацию по направлению к потоку посредством колеса 4.
Одна из лопаток выполнена составной из соединенных между собой внутренней и наружной частей, имеющих поперечный разъем, расположенный под углом к оси, и ослаблена эластичной прокладкой, размещенной между частями, и упругой связью. Упругая связь выполнена в виде пакета пластин, обращенных к потоку среды, имеющих переменную длину, умещающуюся в сторону от лопатки и контактирующих с ее наружной частью. Устройство ориентировано на равнинный водоток. Применяются электрогенерирующие машины может синхронного и асинхронного типов.
В гидроэнергетической установке, изображенной на рис. 2, поток жидкости регулирующим клапаном 1 попеременно отклоняется в камеры 2 и 3 и обратно.
Рис. 2. Турбина в проточном тракте сифона
Вращательное движение жидкости в камерах вызывает колебания воздуха и его переток по трубопроводам 4 и 6 с приведением в действие турбины 5 и спаренного с ней генератора. В целях повышения эффективности работы всего устройства его устанавливают в проточном тракте сифона. Необходимые условия безотказной работы – чистая без крупных фракций протекающая жидкость. Для данной установки необходима сороудерживающая решетка.
Наплавная водяная турбина 16 кВт (рис. 3) предназначена для преобразования кинетической энергии потока в механическую, а затем в электрическую энергию. Турбина представляет собой протяженный круглый элемент из легкого (легче воды) материала с винтовыми ребрами на его поверхности. Элемент шарнирно закреплен с двух сторон тягами, передающими вращающий момент генератору.
Рис 3. Наплавная водяная турбина
Гидросиловая установка (рис. 4) предназначена для выработки электроэнергии минигенератором, который приводится во вращение бесконечным приводным ремнем 1 с расположенными на нем водяными ковшами 2. Ремень 1 с ковшами 2 смонтирован на раме 3, способной плавать на волнах. Рама 3 крепится к опоре 4, на которой расположен генератор 5.
Ковши расположены на внешней стороне ремня с открытыми сторонами, обращенными к горизонтальному направлению течения воды. Число ковшей определяется из условия обеспечения вращения генератора. Возможен вариант использования устройства «лестничного» типа с прикрепленными лопастями.
Рис. 4. Ременно-ковшевая установка
Устройство для использования кинетической энергии водотоков состоит из расположенных в воде на противоположных берега х вертикальных цилиндров, на которые надет шкив (рис. 5).
Рис. 5. Микроплотинная установка
Между верхними и нижними осями шкива установлены лопатки. За счет угла атаки между лопатками и вектором скорости, текущая вода приводит во вращение цилиндры, а через шкив — генератор, вырабатывающий электроэнергию.
Устройство для использования энергии водотоков состоит из рабочего колеса 1, вертикально расположенного в потоке воды, с шарнирно закрепленными лопатками 2 на верхнем 1 и нижнем 3 ободе (рис. 6). Верхний обод 1 соединен с генератором 4. Положение лопаток 2 регулируется самим потоком: перпендикулярно течению в прямотоке и параллельно движению против течения.
Рис. 6. Устройство, преобразующее энергию водотока
Рукавная микрогидроэлектростанция 1 кВт (МГЭС-1) состоит из турбины в виде беличьего колеса 1, направляющего аппарата 2, гибкого трубопровода 3 диаметром 150 мм, водозаборного устройства 4, генератора 5, блока управления 6 и станины 7 (рис. 7).
Рис. 7. Рукавная микро ГЭС 1 кВт
Работа данной МикроГЭС осуществляется следующим образом: водозаборное устройство 4 концентрирует гидравлическую среду и посредством трубопровода 3 обеспечивает перепад высоты между верхним уровнем воды и рабочей турбиной 1, взаимодействие определенного давления гидравлической жидкости с турбиной, приводит во вращение последнюю. Вращающийся момент турбины 1 передается электрогенератору.
Сифонная гидроэнергетическая установка (рис. 8) применяется там, где возникает перепад гидравлической жидкости на высотах от 1,75 м от плотины или в результате естественных условий.
Рис. 8. Сифонная гидроустановка
Работа этих установок происходит следующим образом: проходящая гидравлическая жидкость через турбину 1 поднимается через гребень плотины, рис. 9, вращательный момент передается посредством вала 2 и ременную передачу 3 электрогенератору 4. Отработанная жидкая среда по расширяющему водоводу поступает в нижний бьеф.
Низконапорная микрогидроэлектрическая установка (рис. 9) работает с номинальным напором жидкого столба не менее Н = 1,5м. При уменьшении перепада уменьшается выходная мощность. Рекомендованная высота перепада – 1,4-1,6 м.
Рис. 9. Низконапорная гидроэлектростанция
Принцип работы основан на взаимодействии гидравлической жидкости, обладающей потенциальной энергией, преобразуемой во вращающуюся, а затем в электрическую форму. В заборном устройстве 1 текучая среда попадает в турбину 2, предварительно жидкость закручивается и, проникая в отводную трубу дополнительно за счет падающей жидкости, взаимодействует с лопастями турбины 2, кинетическую энергию жидкости преобразует во вращающийся момент вала 3, затем на электрогенератор.
Вес низконапорной станции составляет 16 кг при мощности Р = 200 Вт. Пропеллерный полупрямоточный гидроэнергопреобразователь состоит из напорного водовода 1, направляющей решетки 2, пропеллерной турбины 3, закругленного отводного канала 4, вала передачи момента 5 и электрогенератора 6 (рис. 10).
Рис. 10. Полупрямоточный преобразователь
Электрическая мощность данной конструкции лежит в предела 1-10 кВт при перепаде высоты Нм=2,2-5,7 м. Расход воды QH=0,05-0,21м 3м/с. Перепад высоты Нм=2,2-5,7 м. Скорость вращения турбины составит wn = 1000 об/м.
Капсульный гидропреобразователь на базе электродвигателя 2ПЭДВ-22-219 (рис. 11) работает аналогично предыдущей гидроэнергоустановке при напоре Н=2,5-6,3м и расходе воды Q= 0,005-0,14 м 3 /c. Электрическая мощность 1-5 кВт. Диаметр водяных турбин от 0,2 до 0,254 м. Диаметр гидравлического колеса Дк = 0,35-0,4м.
Рис. 11. Капсульная микроГЭС
Прямоточный гидропреобразователь (рис. 12) состоит из турбины пропеллерного типа 1, направляющей решетки 2, вала передачи момента 3, электрогенератора 4, отводящего трубопровода 5. Работает при помощи напорного трубопровода.
Рис. 12. Прямоточный гидропреобразователь
Гидропреобразующее устройство (рис. 13) предназначено для преобразования энергии быстродвижущейся жидкой среды в электрическую.
Рис. 13. Гидропреобразователь энергии быстрого водотока
Оно состоит из пропеллерной турбины 1, расположенной в капсуле 2, и устанавливается на водотоках, именуемых «быстротоками». Капсула расположена в направляющем аппарате 4, который устанавливают внутри текущей среды. Вращательный момент от турбины передается на вал 5, а затем электрогенератору 6.
Источник
Переход в речной режим
Для сравнения, Норвегия доходы от экспорта нефти и газа активно вкладывала в строительство ГЭС. Сейчас их гидроэнергетика компенсирует 60% от всего энергетического потребления в стране. В минэнерго «РГ» пояснили, что в среднесрочной и долгосрочной перспективе планируется увеличить установленные мощности ГЭС, но с сохранением их доли в структуре на нынешнем уровне.
Себестоимость электричества, выработанного на ГЭС, равняется около 0,15 руб./кВт.ч. Генерация на основе других возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — солнца и ветра — стоит выше 1 руб./кВт.ч. Цена энергии, полученной на атомных электростанциях (АЭС), — 0,56 руб./кВт.ч, на теплоэлектростанциях (ТЭС) — 0,97 руб./кВт.ч. Эта разница никак не затрагивает население, которое оплачивает электроэнергию по установленным тарифам. Но сами тарифы высчитываются в том числе из себестоимости генерации. Именно поэтому часто можно услышать мнение, что в России с ее обилием рек выгоднее строить гидроэлектростанции. Предложение не лишено смысла, но все же ошибочно.
Во-первых, капитальные затраты на строительство ГЭС серьезно превышают вложения в ТЭС, солнечные и ветростанции, а в некоторых случаях могут оказаться даже дороже АЭС. Во-вторых, большинство мест, подходящих для строительства ГЭС, уже использовано. А строительство в труднодоступных и потенциально опасных районах, например, с сейсмической активностью, в разы увеличивает затраты.
Строительство ГЭС, особенно крупных, часто приводит к изменению микроклимата на близлежащих территориях, заболачиванию и сокращению водной флоры и фауны. Кроме того, строительство крупных ГЭС требует одновременной реализации масштабных промышленных проектов либо отказа от каких-то иных электростанций, считает аналитик Института комплексных стратегических исследований Наталья Чуркина. Не везде это возможно и экономически оправдано.
Эти недостатки не отменяют того, что в некоторых районах страны гидроэнергетика — наиболее выгодный способ генерации. В 2020 году компания «РусГидро» ввела в эксплуатацию Зарамагскую ГЭС-1 мощностью 346 МВт в Северной Осетии. Генеральной схемой размещения объектов электроэнергетики до 2035 года предусмотрено строительство в 2021-2025 годах Граматухинской ГЭС в Амурской области мощностью 400 МВт, и Выдумской ГЭС в 2026-2030 годах на реке Ангаре в Красноярском крае мощностью 1082 МВт. Продолжается строительство Усть-Среднеканской ГЭС в Магаданской области на 570 МВт. В первую очередь сейчас речь идет о строительстве мини-ГЭС, мощность которых не превышает 30 МВт. В минэнерго «РГ» рассказали, что по программе развития ЕЭС России на 2020 -2026 годы планируется ввод в эксплуатацию ряда малых ГЭС суммарной установленной мощностью 168 МВт (до 2023 года).
«Малые и средние ГЭС не так сильно воздействуют на экологию, они могут быть размещены на менее крупных реках и требуют меньше инвестиций», — говорит Наталья Чуркина.
По итогам 2019 года ГЭС увеличили производство на 3,6%, до 190,3 млрд кВт.ч. По приросту производства они уступили только ветряным и солнечным электростанциям.
Имея второй по величине гидропотенциал в мире, Россия пока его использует не более чем на 20%, отметила Наталья Чуркина. По ее мнению, ужесточение требований климатической политики в мире поставит перед нашей страной задачу активного развития ВИЭ. И именно гидроэнергетика могла бы стать основой этого развития.
Источник
5 крупнейших гидроэлектростанций (ГЭС) России (6 фото)
Сейчас в России действуют около 190 гидроэлектростанций самых разных мощностей — от совсем маленьких менее 10 Мвт до гигантов свыше 1000 МВт. Примерно 18% всей российской электроэнергии вырабатывают именно ГЭС.
Саяно-Шушенская ГЭС имеет максимальную номинальную мощность и высоту плотины в России
Благодаря способности быстро менять мощность ГЭС покрывают пиковые нагрузки энергопотребления, позволяя тепловым и атомным станциям работать в экономичных режимах, а также из-за большой надежности и отсутствия необходимости в поставках топлива обеспечивают функционирование энергосистемы при нештатных ситуациях.
В целом ГЭС считаются экологичными, так как генерируют электричество из возобновляемых источников как вода — как вечный двигатель, однако способны локально изменять климат и выводят из оборота значительное число затапливаемых территорий. В некоторых российских регионах как Магаданская область и горные республики Северного Кавказа ГЭС генерируют около 90 % электроэнергии. Помимо энергетической функции водохранилища при ГЭС снабжают водой прилегающие города и заводы в них, защищают от паводков, повышают глубину реки, обеспечивая судоходство крупных грузовых судов (в главную очередь это относится к Волге и Каме).
Все ГЭС из нашего топа расположены в Сибири в бассейне Енисея и впадающей в него Ангары, где холмистый рельеф и малая заселенность территории позволяют затапливать большие площади земель под водохранилища с минимальными затратами на переселение людей. Самая крупная в европейской части России (а также во всей Европе), Волжская ГЭС с годовой выработкой 11,1 млн. Квт/ч, построена на Волге между городами Волгоград и Волжский.
Станции в нашем рейтинге ранжированы по фактической среднегодовой многолетней выработке электроэнергии без учета установленной номинальной мощности. Почти все они, кроме одной, были построены на ударных стройках во времена СССР.
1.Братская ГЭС (22,6 млн. Квт/ч)
Иркутская область
ГЭС с номинальной мощность 4500 МВт расположена в Иркутской области на реке Ангаре около города Братска. Она хоть и уступает по мощности двум другим станциям, однако вырабатывает рекордный объем электроэнергии, сопоставимый с крупнейшими АЭС.
Ее начали строить в 1954 году, а запустили в 1967 году. Является второй из четырех ступеней Ангарского каскада ГЭС. Плотина станции высотой 125 метров и длиной чуть менее километра образует Братское водохранилище – крупнейшее в России и одно из самых больших в мире по полезному объему. По верху плотины проходит автодорога «Вилюй» и ж/д ветка БАМ. Судопропускных шлюзов гидроузел не имеет.
Владеет ГЭС компания En+ Group, материнская компания Русала олигарха Олега Дерипаска, что неудивительно, ведь основным потребителем энергии является Братский алюминиевый завод.
2.Саяно-Шушенская ГЭС (21,8 млн. Квт/ч)
Красноярский край / Республика Хакасия
Это крупнейшая по мощности (но не по генерации) электростанция России — 6400 МВт и входит в топ-10 мощнейших действующих гидроэлектростанций во всем мире. В 2014 году станция, восстановленная после продолжительных работ из-за аварии 2009 года, вышла на полную нагрузку. Станция принадлежит госкомпании РусГидро, а главным потребителем является энергосистема Сибири, в т.ч. Саянский и Хакасский алюминиевые заводы Русала. Стройка плотины началась еще в 1963 году, но гидроагрегаты были запущены в строй лишь к 1985 году. Шлюзами для судов не оборудована.
Плотина имеет максимальную в России высоту 242 метра, а ее длина — больше километра. Она является верхней ступенью Енисейского каскада ГЭС на реке Енисее и находится на границе между Красноярским краем и Хакасией, у специально построенного для гидростроевцев поселка Черемушки.
Летом 2020 года в честь Дня России на плотине нарисовали самое большое в РФ патриотичное граффити с надписью Россия в цветах триколора размерами 50х500 метров.
3.Усть-Илимская ГЭС (21,7 млн. Квт/ч)
Иркутская область
Станция мощностью 3840 МВт находится на Ангаре в районе города Усть-Илимск Иркутской области и является третьей ступенью в каскаде из 4 ГЭС на Ангаре. Первая станция – Иркутская, вторая – Братская и четвертая, самая нижняя по течению, – Богучанская. В отличие от других ГЭС проход и проезд по дамбе здесь закрыты и охраняются.
Гидроузел начали строить в 1963 году, а полностью она была запущена в 1979 году. Высота плотины 105 метров, длина — почти 1,5 километра. Пропуска судов нет. Станция образовывает водохранилище длиной 300 км и шириной до 12 км.
Основной потребитель энергии — Братский и Иркутский алюминиевый заводы, Иркутский авиазавод, а также целлюлозно-бумажные заводы. ГЭС обеспечивает энергией и водой промышленность 80-тысячного города-спутника Усть-Илимска. Контролирующий владелец — ЕвроСибЭнерго Дерипаски. До 2016 года станция принадлежала Русгидро.
4.Красноярская ГЭС (18,4 млн. Квт/ч)
Красноярский край
Станция мощностью 6000 МВт находится в 40 км от Красноярска вверх по течению Енисея и является третьей, нижней ступенью Енисейского каскада ГЭС. Непосредственно у станции находится город-спутник Дивногорск. Именно она запечатлена на 10-рублевой банкноте. Стройка велась с 1956 года, агрегаты полностью запущены к 1971 году. Плотина высотой 128 метров и длиной 1072 метра образовала Красноярское водохранилище длиной 388 км и расстоянием между берегами до 15 км.
Как доп. функция плотина ГЭС защищает лежащие ниже по течению Енисея земли от наводнения, регулируя уровень воды во время паводков.
Принадлежит ЕвроСибЭнерго, компании под контролем Дерипаски. Одним из крупнейших потребителей энергии является Красноярский алюминиевый завод.
На Красноярском гидроузле есть уникальный для России судоподъемник, открытый в 1982 году, который поднимает корабли в гигантской бадье -бассейне на высоту 100 метров.
5.Богучанская ГЭС (14,0 млн. Квт/ч)
Красноярский край
Электростанция мощностью турбин почти 3000 МВт является нижней ступенью каскада ГЭС на реке Ангаре. Ее строили долгих 43 года, с 1974 по 2017 годы — единственная ГЭС, пущенная, а точнее достроенная в постсоветский период. Станция повсюду окружена тайгой, а в 11 км находится город-спутник Кодинск. Высота плотины почти 100 метров, а длина — рекордные 2,7 километра, которая образует водохранилище длиной 375 км — до соседней Усть-Илимской ГЭС. Шлюзы для пропуска судов не предусмотрены.
Владельцами станции являются Русгидро и Русал. Основной потребитель энергии — Богучанский алюминиевый завод.
Источник
