Микро-ГЭС – электроэнергия от водного протока (часть первая)

На территории современной Российской Федерации первые микро-ГЭС создавались в середине прошлого века, в послевоенные годы. Всего за шесть лет, начиная с 1946 года, в СССР было построено порядка семи тысяч малых гидроэлектростанций, вырабатывающих ежегодно несколько сотен мегаватт электроэнергии. Но к началу 60-х годов XX века руководство Советского Союза потеряло интерес к микро-ГЭС – приоритетным направлением в энергетике был признан «мирный атом». В результате значительная часть действующих микро-ГЭС прекратили свою работу и оказались в заброшенном состоянии, в котором находятся по настоящее время.

Характеристики малых ГЭС

В отличие от крупнейших российских гидроэлектростанций, ежегодно вырабатывающих многие гигаватты электроэнергии, производительность их младших собратьев значительно скромнее: мощность микро-ГЭС не превышает 100 кВт; пико-ГЭС – до 5 кВт. Вторым значимым отличием маломощных гидроагрегатов является отсутствие плотины в месте их размещения – получить разрешение в надзорных госорганизациях на перекрытие русла любого водоема, независимо от дистанции между берегами, с целью подъема уровня воды фактически невозможно.

Важно: Каждый и любой водоем на территории Российской Федерации, за исключением тех, что находятся в пределах частных земельных участков (кроме рек и ручьев), принадлежит государству и находится под его охраной (Водный кодекс РФ). Соответственно, любые попытки внесения изменений в русло водоема без разрешения властей – нарушение федеральных законов.

Производство электроэнергии малыми ГЭС ведется по тому же принципу, что и у их мегаваттных аналогов – вода из водоема направляется к лопастям гидротурбины и вращает ее, а та передает механическую работу ротору гидрогенератора, вырабатывающего электрический ток.

Мощностные характеристики турбины несколько выше, чем у гидрогенератора, объединенных вместе в один гидроагрегат. Тип гидротурбины определяется по высоте напора воды:

• при высоком напоре (свыше 60 м) используются радиально-осевые и ковшовые турбины;
• при среднем напоре (от 25 до 60 м) ГЭС оснащают радиально-осевыми и поворотнолопастными турбинами;
• при низком напоре (более 3, но менее 25 м) механическую работу осуществляют поворотнолопастные модели турбин, заключенные в металлические или бетонные камеры.

Выбор гидрогенератора для микро-ГЭС зависит от потребителей производимой ею электроэнергии. Если предполагается запитывать приборы с активной нагрузкой, т.е. полностью преобразующие поступающую электроэнергию в ее иную форму (свет, тепло и т.п.), то подойдут асинхронные альтернаторы. Но в том случае, если в сети присутствуют электроприборы с реактивной нагрузкой (любые насосы и электродвигатели), возвращающие часть электрической энергии обратно в генератор, то справиться с этим может лишь синхронный генератор. Реактивная нагрузка на асинхронный альтернатор в конструкции микро-ГЭС промышленного изготовления компенсируется блоками возбуждения и балластным.

Прежде, чем перейти к изучению характеристик известных типов мини-ГЭС и пико-ГЭС, рассмотрим их общие достоинства и недостатки.

Плюсы микро-ГЭС:

• генерация электроэнергии происходит от возобновляемого источника, более стабильного, чем солнечный свет и ветер;
• близость к конечному потребителю, энергетические потери на транспортировку при этом минимальны либо отсутствуют;
• низкая стоимость электроэнергии, с учетом нулевых затрат на исходное топливо;
• полное отсутствие каких-либо выбросов в атмосферу, минимальное воздействие на водные бассейны;
• выход на полную мощность у малых гидроэлектростанций занимает меньше времени, чем у генераторов на нефтепродуктах;
• вдали от центральных сетей энергоснабжения лишь малые ГЭС способны обеспечивать потребителей электроэнергией бесперебойно, т.к. не зависят от регулярных поставок горючего.

Минусы малых гидроэлектростанций:

• русла небольших рек и ручьев часто пересыхают летом и промерзают зимой;
• производительность мини-ГЭС связана с напором воды и ее количеством. Чтобы обеспечить свой дом электроэнергией в полном объеме, может потребоваться создание запруды выше по руслу водоема – но это нарушение законодательства РФ;
• строительство полноценной, пусть даже и небольшой гидроэлектростанции, способной исправно снабжать загородный коттедж электрической энергией круглый год, обходится недешево.

Бесплотинные микро-ГЭС

Достоинство бесплотинных малых гидроэлектростанций – они дешевы и просты в установке, их установка не требует согласования с государственными органами. Их общие недостатки: низкая производительность (не более 5 кВт, обычно до 2 кВт); необходимо достаточное расстояние между берегами реки и глубина более полуметра; повреждения при столкновении с плавающими объектами (чаще – c фрагментами деревьев); невозможность использования зимой ввиду обледенения водоема. Рассмотрим несколько наиболее интересных вариантов малых ГЭС.

Гирляндная мини-ГЭС. Полуметровые крыльчатки пропеллеров изготавливаются из 0,5-0,7 мм оцинковки, их нанизывают и закрепляют на 10-15 мм стальном тросе – он становится приводным валом для генератора. Трос закрепляется подшипниковым соединением на металлической стойке на одном берегу, а на другом крепится к валу генераторного ротора. По расчетам ее разработчика Бориса Сергеевича Блинова, на реке со скоростью течением порядка 2,5 м/с каждый гидроагрегат гирляндной микро-ГЭС произведет в среднем от 1,5 до 2 кВт. О действующих моделях такой гидроэлектростанции толком ничего не известно, поэтому судить о ее реальной эффективности сложно.

Недостатки гирляндной гидроэлектростанции: высокая материалоемкость; невысокий КПД; создание препятствия для движения по реке (по сути – это та же плотина).

Рукавная микро-ГЭС. Ее создал также Б.С. Блинов – разработка велась им в 70-х годах прошлого века одновременно с гирляндной гидроэлектростанцией. 

Ее преимущество заключается в возможности использования малых водоемов – для выработки электроэнергии достаточным будет ручей, чей дебет воды превышает 50 л/с и чье русло имеет перепад высот более 5 м. Забор воды производится с помощью сужающейся трубы, широкий верх которой подведен к наиболее быстрой части течения, а в ее нижней части расположена гидротурбина. В СССР рукавные микро-ГЭС пользовались спросом и их производили на заводах, но ближе к 90-м выпуск был прекращен. Начиная с 2000 года предпринимались неоднократные попытки наладить серийный выпуск рукавных микро-ГЭС, однако спрос на них невелик – вероятно, причина в малой известности этих гидроагрегатов.

Мини-ГЭС Н.И. Ленева. Алтайский изобретатель Николай Иванович построил свою мини-ГЭС в конце 90-х, патент на нее получил в 2001 году. Конструкция основана на двух рядах плоских, прямоугольных лопастей, каждая разделена осью на неравные друг к другу части, большая из которых выступает обратно направлению потока воды. Такое смещение центра, по словам Ленева, уменьшает турбулентность вокруг лопаток, осевые штыри которых закреплены сверху и снизу на цепях. Под воздействием водного потока цепи с закрепленными на них лопастями вращаются, приводя в движение два вала, распложенных вертикально, при помощи звездчатых колес. Производимая ими работа при помощи промежуточного вала и муфты сообщается гидрогенератору. Производительность микро-ГЭС Ленева, как утверждают разработчики, приобретшие права на изготовление, составит от 2 до 20 кВт (в зависимости от модели).

Следует заметить, что, несмотря на заявленные в прессе многократные продажи моделей микро-ГЭС Ленева, результаты их испытаний и сведенья по фактической эксплуатации ни разу не публиковались.

Гравитационная (водоворотная) микро-ГЭС. В отличие от разработок советских и российских изобретателей малая гидроэлектростанция австрийского инженера Франца Цотлетерера, запатентованная им в 2003 году, привлекла внимание предпринимателей Евросюза и России. Созданная Цотлетерером водоворотная микро-ГЭС базируется на ранних проектах вихревых гидроэлектростанций, над которыми работали американец Кенард Браун в 60-х и австралиец Пол Коурус в 90-х. По сравнению с американской и австралийской микро-ГЭС, Франц Цотлетерер добился двукратного прироста КПД – 76-80% против прежних 35-40%.

Австрийский изобретатель отвел часть воды из ручья в бетонный желоб, построенный вдоль береговой линии. Канал завершается бетонным цилиндром, внизу которого выполнено выпускное отверстие с желобом-отводом. Вода поступает цилиндр по касательной и, подчиняясь силе гравитации, стремится вниз, закручиваясь по спирали – в центре находится турбина, ее то и раскручивает водоворот (среднее число оборотов турбины – 30 об/мин). На водоворотной микро-ГЭС, построенной на ручье с перепадом высоты в 1,3 м и при расходе воды 0,9 м³/с, максимальная мощность составила 9,5 кВт, выработка за год – порядка 35000 кВт/ч. Благодаря постоянному вращению воды гравитационно-вихревая гидроэлектростанция исправно работает в зимнее время – в центре воронки поток воды наиболее плотный и его температура примерно равна 4^оС, а формирующаяся по краям бетонного цилиндра корка льда препятствует охлаждению воды в центре, экранируя тепло обратно в воду.

Недостатки водоворотной микро-ГЭС Франца Цотлетерера: стоимость, с учетом бетонных работ, более 100000$ (что, впрочем, дешевле строительства плотинной ГЭС); ограниченная мощность – до 150 кВт. Проект австрийца находится на стадии разработки, поскольку добиться стабильно высокой мощности на выходе пока не удается.

Производители и цены

На российском рынке микро-ГЭС поставляют отечественные компании Ecoteco (Санкт-Петербург), «МНТО ИНСЭТ» (Санкт-Петербург), НПО «Инверсия» (Екатеринбург), ООО «Спецэнергоснаб» (Москва), а также украинская ПП «Аванте» (Киев).

Рассмотрим характеристики, к примеру, рукавной микроГЭС10Пр, выпускаемой «МНТО ИНСЭТ»:

• напор воды – min 2-4,5 м, max – 4,5-10 м;
• расход воды – min 0,07-0,14 м³/с, max – 0,095-0,2 м³/с;
• производимая мощность – min до 4 кВт, max – до 10 кВт;
•  частота вращения – min 1000 об/мин, max – 1500 об/мин;
• напряжение – 400 В (диапазон перепадов от 425 до 450 В);
• частота тока – 50 Гц (диапазон перепадов от 48 до 52 Гц);
• рабочее колесо, диаметр – 235 мм;
• подводящий трубопровод, диаметр – 300 мм.

Ее комплектация:

• энергоблок (поворотнолопастная гидротурбина и асинхронный генератор), вес 180 кг;
• шкаф с блоком балластной нагрузки, вес 70 кг;
• блок возбуждения (автоматического регулирования), вес 70 кг;
• конструкция водозабора, 35 кг. 

Расценки на модели малых гидроэлектростанций составляют порядка 1500$ за киловатт установленной мощности.

В завершении

Территория Российской Федерации охвачена сетями центрального электроснабжения не более чем на треть, причем доступ к электроэнергии отсутствует не только на территории Сибири, но и в сельских районах Урала. Отказ от дальнейшего строительства АЭС, потенциально опасных для экологии и населения, привел к длительной паузе в планировании действий, направленных на обеспечение населенных пунктов электричеством. Между тем у России имеется значительный потенциал в области малой гидроэнергетики, но для его реализации необходима поддержка на федеральном уровне. К примеру, в некоторых странах Евросоюза и в Белоруссии действуют государственные программы выкупа электроэнергии, произведенной малыми ГЭС, по двойному тарифу.

Во второй части материала о микро-ГЭС мы рассмотрим условия, подходящие для создания малой гидроэлектростанции, а также способы ее построения своими руками.