Малая гес. Малые гэс

В последнее время, из-за роста тарифов на электроэнергию, все более актуальными становятся возобновляемые источники практически бесплатной энергии.

Малая гидроэлектростанция или малая ГЭС (МГЭС ) - гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии и основано на гидроэнергетических установках мощностью от 1 до 3000 кВт. Общепринятого для всех стран понятия малой гидроэлектростанции нет, в качестве основной характеристики таких ГЭС принята их установленная мощность.

Установки для малой гидроэнергетики классифицируют по мощности на:

• оборудование для мини гидроэлектростанции мощностью до 100 кВт;
• оборудование для микро гидроэлектростанций мощностью до 1000 кВт.

Из известной классической триады: солнечные батареи , ветрогенераторы, гидрогенераторы (ГЭС), последние наиболее сложные. Они, во-первых, работают в агрессивных условиях, а во-вторых, имеют максимальную наработку за равный промежуток времени.

Наиболее просто делать бесплотинные ГЭС, т.к. сооружение плотины достаточно сложное и дорогое дело и часто требует согласования с местными властями или, по крайней мере, с соседями. Бесплотинные мини ГЭС называют проточными. Существует четыре основных варианта таких устройств.

Типы мини ГЭС

Водяное колесо - это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды. Колесо погружено в поток меньше чем наполовину. Вода давит на лопасти и вращает колесо. Существуют также колеса-турбины со специальными лопатками, оптимизированными под струю жидкости. Но это достаточно сложные конструкции скорее заводского, чем самодельного изготовления.

Гирляндная мини-ГЭС - представляет собой трос, с жестко закрепленными на нем роторами. Трос перекинут с одного берега реки на другой. Роторы как бусы нанизаны на трос и полностью погружены в воду. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос. Один конец троса соединен с подшипником, второй с валом генератора.

Ротор Дарье - это вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета.

Пропеллер - это подводный «ветряк» с вертикальным ротором. В отличие от воздушного, подводный пропеллер имеет лопасти минимальной ширины. Для воды достаточно ширины лопасти всего в 2 см. При такой ширине будет минимальное сопротивление и максимальная скорость вращения. Такая ширина лопастей выбиралась для скорости потока 0.8-2 метра в секунду. При больших скоростях, возможно, оптимальны другие размеры.

Достоинства и недостатки различных систем миниГЭС

Недостатки гирляндной МГЭС очевидны: большая материалоемкость, опасность для окружающих (длинный подводный трос, скрытые в воде роторы, перегораживание реки), низкий КПД. Гирляндная ГЭС – это небольшая плотина. Ротор Дарье сложен в изготовлении, в начале работы его нужно раскрутить. Но он привлекателен тем, что ось ротора расположена вертикально и отбор мощности можно производить над водой, без дополнительных передач. Такой ротор будет вращаться при любом изменении направления потока.

Таким образом, с точки зрения простоты изготовления и получения максимального КПД с минимальными затратами, необходимо выбрать конструкцию типа водяное колесо или пропеллер .

Конструкция малой гидростанции

Конструкция малой ГЭС базируется на гидроагрегате, который включает в себя энергоблок, водозаборное устройство и элементы управления. В зависимости от того, какие гидроресурсы используются малыми гидростанциями, их делят на несколько категорий:

Русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами;

Стационарные мини ГЭС, использующие энергию свободного течения рек;

МГЭС, использующие существующие перепады уровней воды на различных объектах водного хозяйства;

Мобильные мини ГЭС в контейнерах, с применением в качестве напорной деривации пластиковых труб или гибких армированных рукавов.

Разновидности гидроагрегатов для малых гидроэлектростанций

Основой для малой гидростанции является гидроагрегат, который, в свою очередь, базируется на турбине того или иного вида. Существуют гидроагрегаты с:

Осевыми турбинами;

Радиально-осевыми турбинами;

Ковшовыми турбинами;

Поворотно-лопастными турбинами.

МГЭС классифицируются и в зависимости максимального использования напора воды на :

Высоконапорные - более 60 м;

Средненапорные - от 25 м;

Низконапорные - от 3 до 25 м.

От того, какой напор воды использует микрогидроэлектростанция, различаются и виды применяемых в оборудовании турбин. Ковшовые и радиально-осевые турбины разработаны для высоконапорных ГЭС. Поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины применяются на средненапорных станциях. На низконапорных малых гидростанциях(МГЭС) устанавливают в основном поворотно-лопастные турбины в железобетонных камерах.

Что касается принципа работы турбины мини ГЭС, то он во всех конструкциях практически идентичен: вода под напором поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Энергия вращения передается на гидрогенератор, который отвечает за выработку электроэнергии. Турбины для объектов подбираются в соответствии с некоторыми техническими характеристиками, среди которых главной остается напор воды. Кроме того, турбины выбираются в зависимости от вида камеры которая идет в комплекте - стальной или железобетонной.

Мощность миниГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы.

При выборе мини ГЭС стоит ориентироваться на такое энергетическое оборудование, которое было бы адаптировано под конкретные нужды объекта и отвечало таким критериям, как:

Наличие надежных и удобных в эксплуатации средств управления и контроля над работой оборудования;

Управление оборудованием в автоматическом режиме с возможностью перехода при необходимости на ручное управление;

Генератор и турбина гидроагрегата должны иметь надежную защиту от вероятных аварийных ситуаций;

Площади и объемы строительных работ для установки малых ГЭС должны быть минимальными.

Выгоды использования мини-ГЭС:

Гидроэлектростанции малой мощности обладают целым рядом преимуществ, которые делают это оборудование все более популярным. Прежде всего, стоит отметить экологическую безопасность мини ГЭС – критерий, который становится все более важным в свете проблем защиты окружающей среды. Малые гидроэлектростанции не возникает вредного влияния ни на свойства, ни на качество воды. Акватории, где устанавливается гидроэлектростанция малой мощности, можно использовать как для рыбохозяйственной деятельности, так и в качестве источника водоснабжения населенных пунктов. Кроме того, для работы малых ГЭС нет необходимости в наличии больших водоемов. Они могут функционировать, используя энергию течения небольших рек и даже ручьев.

Что касается экономической эффективности, то и здесь у микро и мини гидроэлектростанций есть немало преимуществ. Станции, разработанные с учетом современных технологий, отличаются простой в управлении, они полностью автоматизированы. Таким образом, оборудование не требуют присутствия человека. Специалисты отмечают, что и качество тока, вырабатываемого малыми ГЭС, соответствует требованиям ГОСТа как по напряжению, так и по частоте. При этом, мини ГЭС могут действовать как автономно, так и в составе электросети.

Говоря о малых гидроэлектростанциях, стоит отметить и такое их преимущество, как полный ресурс их работы, который составляет не менее 40 лет. Ну а главное - объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.

Одним из важнейших экономических факторов является вечная возобновляемость гидротехнических ресурсов. Если подсчитать буквальную выгоду от применения малых ГЭС, то выяснится, что электроэнергия вырабатываемая ими практически в 4 раза дешевле электроэнергии, которую потребитель получает от теплоэлектростанций. Именно по этой причине сегодня ГЭС все чаще находят применение для электроснабжения электроёмких производств.

Не забудем и о том, что малые ГЭС не требуют приобретения какого-либо топлива. К тому же они отличаются сравнительно простой технологией выработки электроэнергии, в результате чего затраты труда на единицу мощности на ГЭС почти в 10 раз меньше, чем на ТЭЦ .



Не секрет, что в последнее время в стране наблюдается новый виток интереса к теме возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в особенности в части малой энергетики. Его проявление нетрудно связать с многочисленными звеньями длинной цепочки причин, заставляющих искать альтернативу традиционным мощностям. Начиная с нефти, взявшей на внешних рынках очередной ценовой рубеж в сто долларов за баррель, как следствие - возросшей стоимости продуктов нефтепереработки на рынке внутреннем и обещаний правительства приблизить цену на газ внутри страны к мировой планке. И заканчивая дефицитом существующих энергетических мощностей, а также пониманием того, что сами по себе запасы органики не бесконечны.

История вопроса

Когда-то СССР по многим видам ВИЭ имел большие научные и технические заделы и богатый опыт использования. Однако в те времена стремление к гигантизму во всех его проявлениях часто ставило крест на многих эффективных сферах энергетики. В эпоху огромных проектов, требовавших больших источников энергии, малые не выдерживали конкуренции с электроэнергетическими гигантами, объединившимися в единую национальную сеть; не могли обеспечить требуемый поток и потому стали отходить на второй план. Их место заняли начавшие строиться в 1950–1960-е годы огромные тепловые и гидроэлектростанции, а впоследствии и атомные станции. Дешевизна первичных энергоресурсов - нефти, газа и угля - надолго похоронила многие сферы ВИЭ. Не стало исключением и одно из наиболее эффективных направлений - малая гидроэнергетика: использование энергии небольших водотоков с помощью микро- (единичной мощностью энергоагрегата до 100 кВт) и малых (единичной мощностью до 10 МВт) ГЭС (далее МГЭС), общей установленной мощностью до 30 МВт.

Еще в начале 60-х годов XX века СССР располагал 11,4% мировых гидроэнергетических ресурсов. Тогда расчеты показывали целесообразность и возможность получать около 1 700 млрд кВт ч электроэнергии, что более чем в пять раз превышало выработку электростанций страны в тот период. Считалось, что основная часть гидропотенциала (74%) располагалась на территории РСФСР. Сейчас этот гидроэнергетический потенциал практически полностью реализуется за счет больших и гигантских ГЭС. Но еще в 1913 году число действовавших в России ГЭС составляло 78 единиц общей мощностью 8,4 МВт. Крупнейшая из них - ГЭС на реке Мургаб мощностью 1,35 МВт. Сейчас их бы отнесли к категории МГЭС. Уже в 1941 году в России работали 660 малых сельских ГЭС общей мощностью 330 МВт. Общее количество МГЭС в СССР после окончания Великой Отечественной войны составляло 6,5 тыс. А во время пика строительства в 1940-е и 1950-е годы ежегодно в эксплуатацию вводились до 1 тыс. объектов.

Но в начале 1950-х в связи с указанным выше началом перехода к строительству гигантских энергетических источников и присоединением небольших потребителей к централизованному электроснабжению данное направление утратило государственную поддержку. Что привело к практически полному разрушению и упадку существовавшей инфраструктуры. Уже в 1962 году в СССР насчитывалось 2 665 МГЭС, в 1980-м - около 100 суммарной мощностью 25 МВт, в 1990 году их осталось всего 55. В настоящее время, по различным оценкам, по всей России действуют от нескольких десятков (60–70) до нескольких сотен (200–300) МГЭС.

В то же время сегодня считается, что по своему потенциалу гидроресурсы России сопоставимы с существующими объемами выработки электроэнергии всеми электростанциями страны. При этом малые реки преобладают в гидрографической сети по числу и общей длине: из 3 млн рек на территории бывшего СССР 2,9 млн - малые реки, а 94% длины речной сети России - малые водотоки. Характерно, что на водосборах малых рек и в их прибрежных зонах сосредоточена большая часть населения: 90% сельского и до 44% городского. По современным оценкам, опубликованным специалистами НИИ энергетических сооружений (Москва), технически достижимый потенциал МГЭС России позволяет производить 357 млрд кВт ч в год. Предполагается, что в дальнейшем малая гидроэнергетика преимущественно будет развиваться в Сибири и на Дальнем Востоке. В европейских районах строительство МГЭС получит развитие на Северном Кавказе.

Красивые планы

При таких «исходных» перспективность развития МГЭС не вызывает сомнений. Это обратило в их сторону взоры органов власти субъектов федерации и крупных игроков и стало дополнительным фактором активизации процессов развития.

Среди регионов Сибири наиболее далеко в вопросе МГЭС продвинулись в Республике Алтай, где разработана концепция развития и схема размещения объектов малой гидроэнергетики 35 малых ГЭС мощностью 105 МВт на территории региона, две из которых уже действуют. По словам министра регионального развития Республики Алтай Юрия Сорокина , недавно проведен тендер и определен подрядчик по проектированию каскада ГЭС на реке Чуя мощностью 12, 25 и 25 МВт. По этому каскаду, а также по двум станциям на реке Мульта и ГЭС Уймень сделаны предложения ГидроОГК и в скором времени ожидается предварительное решение. Также в плане на этот год проведение конкурса на проектирование ГЭС Аргут мощностью около 100 кВт. Выполнение планов является серьезным подспорьем в закрытии 100 МВт дефицита мощностей в республике. Учитывая планы по подключению каскада ГЭС на Чуе к общей сети, результатом вполне может стать снижение тарифа, который в прошлом году составил 1,66 рубля за 1 кВт ч при стоимости на НОРЭМе в среднем 0,5 рубля.

Серьезные планы в Республике Бурятия. По словам заместителя министра по развитию транспорта энергетики и дорожного хозяйства республики Юрия Добровинского , сейчас на стадии завершения экологической экспертизы и разработки проектно-сметной документации находятся проекты ГЭС на реке Ульзиха в Баргузинском районе и Тахойской ГЭС на реке Джида. По предварительным данным, мощность каждой составит около 2 МВт.

Недавно ГидроОГК взялась за развитие малой гидроэнергетики путем выделения из своего портфеля в самостоятельное бизнес-направление проектов по строительству МГЭС - Фонд «Новая энергия». Тем самым компания занялась освоением гидропотенциала малых рек, не отвлекая при этом основные силы от масштабных проектов. Все первоначальные планы фонда связаны с Северным Кавказом. Так, на VI Международном инвестиционном форуме «Сочи-2007» фонд презентовал семь проектов строительства малых ГЭС в Южном федеральном округе, один из которых (создание трех малых ГЭС в Южном Дагестане) уже завершен (станции запущены в декабре 2007 года). В другой - возведение Зарагижской малой ГЭС в Кабардино-Балкарской Республике - привлечен частный инвестор, который обеспечит 40% стоимости проекта, составляющей более 900 млн рублей. Финансирование остальных проектов, представленных в Сочи, осуществляется за счет средств инвестиционной программы ГидрОГК. Вводы мощностей по ним предусматриваются в 2008-2010 годах и сейчас они находятся на стадии практической реализации.

Перспективы МГЭС в Зауралье еще более глобальны: «Сегодня у нас имеются данные по 120 потенциальным площадкам строительства малых ГЭС на территории СФО и ДФО совокупной установленной мощностью более 500 мегаватт. С различным уровнем проработки информации: от идей до серьезных расчетов и обоснований инвестиций», - говорит генеральный директор Фонда «Новая энергия» Андрей Железнов .

Разность подходов

Столь серьезные планы несколько омрачаются реальным новейшим опытом возведения и эксплуатации МГЭС в Сибири, имеющим несколько не очень радужных эпизодов. Объективное видение перспектив невозможно без осмысления недавних событий. Технологии возведения существовавших когда-то многочисленных ГЭС не подходят к современным условиям. За истекший продолжительный период многие компетенции тех времен по возведению МГЭС были утеряны, а многие подходы к их строительству значительно изменились.

По словам генерального директора компании «ИНСЭТ» (Санкт-Петербург) Якова Бляшко , в советские времена к строительству малых ГЭС подходили совсем иначе. «Поскольку на первом месте были интересы промышленности, то стремились использовать гидропотенциал реки полностью, и поэтому малая ГЭС имела плотину. Но малая гидроэнергетика должна выполнять социальную роль и решать социальные задачи. Даже если строительство малой ГЭС экономически целесообразно, но она этой роли не выполняет, то нет смысла в ее возведении», - убежден эксперт. Свою позицию он проиллюстрировал условным примером старого подхода: нормальным считалось строительство малой ГЭС мощностью 15 МВт с удаленностью от социального потребителя на расстояние в 30 км, в то время как при численности населения в 800 человек потребность с перспективой развития составляет максимум 1–1,5 МВт при удалении в 5 км. В первом случае в протянутой от ГЭС до села ЛЭП теряется значительное количество энергии, а поскольку вопросы ее обслуживания не всегда решаются (порывы из-за обледенения, падающих деревьев), то в энергоснабжении нередки сбои.

В связи с этим в современных проектах преобладает подход возведения ГЭС по деривационной схеме, когда от реки на МГЭС делается отводящий рукав-водоток. Такая технология позволяет практически полностью отказаться от водохранилищ и избежать строительства плотин, характерных для крупных ГЭС, а также заметно сокращает период строительства и значительно снижает затраты. Яков Бляшко заметил, что «ИНСЭТ» почти все проекты делает без использования водохранилища: «По деривационной схеме без затопления мы создали два проекта в Кабардино-Балкарии, три проекта в Карачаево-Черкесии и 17 станций общей мощностью более 200 мегаватт в Северной Осетии». Ему вторит Андрей Железнов, отметивший, что «основной задачей фонда является налаживание системы массового, поточного строительства МГЭС, где, в отличие от крупных ГЭС, не признающих типовых инженерных решений, это позволяют делать технологии, применяемые при строительстве гидроузлов малой мощности». Унификации проектов МГЭС так же будет способствовать наличие разработанного и промышленно освоенного оборудования, и опыта его эксплуатации в различных регионах.

Но, как считает директор «Красноярскгидропроекта» Николай Нейланд , дело не столько в генерирующем источнике, сколько в аккумулирующей энергию части ГЭС, то есть водохранилище. Мировая география распространения малых станций затрагивает в основном теплые части света, где ни один водоток зимой не перемерзает. Это в значительной степени относится и к Северному Кавказу. При продолжительности зимы в Сибири в семь–девять месяцев малые водотоки, которые могут давать отдачу, перемерзают, из-за чего работа станций становится очень проблематичной. «В Сибири малая станция не будет нормально эксплуатироваться без резерва воды, хотя бы сезонного регулирования. Для этого нужно создать водохранилище, которое является потенциальным источником энергии. Если это невозможно сделать, то говорить о малой станции просто бессмысленно», - резюмировал он.

Многие проекты малых ГЭС, над которыми работал красноярский институт, предусматривают возведение плотины, однако большие капитальные вложения в напорный фонд (возведение плотины, подготовка ложа водохранилища) а также увеличение времени строительства могут стать непреодолимым препятствием на пути развития малых ГЭС. Относительно деривационного подхода Николай Нейланд заметил, что множество безнапорных станций существовало, например, в Тыве и раньше. Но в основном они предназначались для снабжения сезонных отгонных пастбищ и работали в теплое время года.

Новейший опыт Сибири

Доводы руководителя «Красноярскгидропроекта» косвенно подтверждаются реальной новейшей практикой возведения ГЭС в Сибири. ГЭС Кызыл-Хая на реке Моген-Бурен, запроектированная «Красноярскгидропроектом», с устаноленной мощностью 400 кВт и запущенная в 2001 году с мощностью 150 кВт. Это было сделано в рамках Национальной программы энергообеспечения Республики Тыва за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, предусматривавшей возведение каскада из трех станций. На эти цели от Минэнерго РФ были получены деньги. Впоследствии Министерство энергетики прекратило свое существование, и программа приказала долго жить. Из неофициальных источников стало известно, что все средства израсходованы на одну станцию вместо трех. По всей видимости, это и стало истинной причиной того, что желающих выделять дополнительные средства не нашлось. Текущую фактическую ситуацию с данной ГЭС выяснить не удалось, однако известно, что с момента ее запуска с эксплуатацией регулярно возникают проблемы. Яков Бляшко, компания которого поставила на ГЭС свое оборудование, контролировала строительство и сейчас постоянно оказывает помощь в эксплуатации, охарактеризовал ситуацию на ГЭС следующим образом: «Это не неудачный опыт эксплуатации малых ГЭС, а неудачный опыт подбора соответствующих кадров».

Со вторым по очереди объектом в Республике Алтай - МГЭС Кайру мощностью 400 кВт также были определенные сложности технического плана. По словам Юрия Сорокина, ГЭС начинал строить совхоз, и заложенные проектом противофильтрационные мероприятия не были доведены до конца. В частности, вовремя не защищена пленка, пришедшая впоследствии в негодность. С самой плотиной вопросов нет. Но из-за отсутствия специалистов в округе возник ряд трудностей с ее эксплуатацией, из-за чего во время паводка лишняя вода шла через верх. Сейчас все недостатки устранены, и ГЭС работает в нормальном режиме.

Третья и последняя в Сибири малая ГЭС - Джазатор (Республика Алтай) мощностью 630 кВт введена в строй в ноябре прошлого года. И если Кайру построена по классической схеме, то эта ГЭС уже деривационного типа, с небольшой плотиной и водохранилищем. По всей видимости, проблема перемерзания водотока ей не грозит, учитывая, что минимальная расчетная температура ее эксплуатации составляет -56°С.

Живой фактор

Все три сибирские МГЭС находятся на значительном удалении от цивилизации. Например, село Кызыл-Хая (Тыва) находится в 650 км от Кызыла, а 120 км пути от райцентра села Улаган до села Балыкча (потребителя ГЭС Кайру) преодолеваются за четыре часа. При этом до появления ГЭС местные жители не платили за электричество (солярка для дизельгенераторов - основного в этих районах источника энергии до появления ГЭС - оплачивалась из средств программы северного завоза), а новость о необходимости ежемесячной оплаты энергии в одночасье сделала их врагами возобновляемых источников.

Кроме того, общий уровень жизни и образования населения при такой удаленности от большой цивилизации можно себе представить. А потому большой проблемой является наличие квалифицированного обслуживающего персонала. В Республике Алтай, как считают, нашли выход из этой ситуации. По словам Юрия Сорокина, на Джазаторе создана независимая управляющая акционерная компания, учредителем которой выступил муниципалитет. Квалификация работников поднималась путем обучения на Кайру, а также участия в строительстве Джазатора. Принятые на работу в УК работники из числа местных жителей должны стимулировать продажу энергии, заниматься сбором денег и непосредственно эксплуатацией. Этот опыт планируется перенести на МГЭС Кайру, где до этого у муниципалитета действовал договор с компанией, осуществлявшей только техническое обслуживание и получавшей вознаграждение за технические услуги. При этом обслуживающий персонал не имел специализированных знаний по гидроэнергетике.

Андрею Железнову решение кадровой проблемы видится в следующем: «Поскольку на данном этапе наши проекты реализуются в регионах присутствия ГидроОГК, эксплуатировать построенные малые ГЭС мы собираемся с привлечением специалистов региональных филиалов компании. При работе в регионах, где нет филиалов ГидроОГК, нам выгодно набрать большое количество проектов с такой экономикой, которая бы обосновывала создание и содержание команды специалистов-эксплуатационников», - убежден он.

Экономика - двигатель прогресса

Несмотря на множественные технические и организационные вопросы МГЭС и возрастание интереса к ним, число реализуемых проектов в Сибири по-прежнему чрезвычайно мало. Скорее всего, основным двигателем должна стать экономическая составляющая. В частности, во многих отдаленных поселениях, снабжающихся сейчас электроэнергией от дизельгенераторов, ее себестоимость очень высока. На Алтае она достигает 22 рублей за 1 кВт ч. Например, после запуска ГЭС Джазатор стоимость энергии для местного населения при себестоимости 53 копейки за 1 кВт ч составила 4,2 рубля. Дальнейшее снижение тарифа планируется за счет подключения новых потребителей, перевода социальной сферы на электроотопление и увеличение потребления энергии населением.

Кроме того, одним из основных аргументов активистов строительства МГЭС являются существующие перекосы в централизованном энергоснабжении, когда потери в сетях достигают или превосходят объемы потребляемого отдаленными районами электричества. Так, по словам Юрия Добровинского, Республика Бурятия полностью электрифицирована, поэтому основная задача новых МГЭС - повышение экономической эффективности энергоснабжения.

По мнению многих специалистов, массовому приходу инвесторов в этот сектор мешает прежде всего отсутствие информации о самой возможности участия частного капитала в проектах строительства малых ГЭС. Последней отмашкой для инвесторов стал запуск системы мер государственной поддержки ВИЭ, принятой в ноябре 2007 года, в виде поправок в Федеральный закон «Об электроэнергетике». Они гарантируют субсидирование затрат на подключение генерирующих объектов к сетям за счет средств федерального бюджета, а также обеспечивают надбавки к цене за каждый произведенной сверх нормы оптового рынка малыми ГЭС кВт ч электроэнергии. Также энергосистемам вменено в обязанность закупать в определенных объемах энергию ВИЭ. Принятия всех подзаконных актов, регламентирующих порядок реализации нововведений, нужно ждать не раньше середины 2008 года. После этого, учитывая инициативность местных администраций, зачастую берущих на себя затраты по проектированию, и опыт эксплуатации уже построенных объектов, наступит серьезный прорыв в этом сегменте.

При подготовке статьи использованы материалы периодического научно-технического журнала «Малая энергетика». - М., 2004. - № 1.

• Гидроэнергетический потенциал России колоссален, но сегодня используется слабо. Неосвоенными остаются 80% гидроэнергоресурсов.
• Использование энергии малых рек представляется одним из наиболее актуальных направлений в деле освоения гидроэнергоресурсов Российской Федерации.
• Развитие малой гидрогенерации - экологически приемлемый и экономически целесообразный метод решения целого комплекса проблем, связанных с энергобезопасностью и дефицитом электроэнергии на отдельных территориях нашей страны.

Регулярный рост цен на электроэнергию заставляет многих задумываться над вопросом альтернативных источников получения электричества. Одно из лучших решений в данном случае - гидроэлектростанция. Поиски решения данного вопроса касаются не только масштабов страны. Все чаще можно увидеть мини-гидроэлектростанции для дома (дачи). Затраты в таком случае будут только на строительство и техническое обслуживание. Минус подобного сооружения в том, что его возведение возможно только в определенных условиях. Необходимо наличие водяного потока. К тому же возведение данной конструкции у себя во дворе требует разрешения местных органов власти.

Схема мини-гидроэлектростанции

• Русловые, характерные для равнин. Они устанавливаются на реках с несильным потоком.
• Стационарные используют энергию водных рек с быстрым потоком воды.
• ГЭС, устанавливающиеся в местах перепада водного потока. Встречаются чаще всего в промышленных организациях.
• Мобильные, которые строятся с применением армированного рукава.

Для строительства ГЭС достаточно даже небольшого ручья, протекающего по участку. Владельцы домов с центральным водоснабжением не должны отчаиваться.

Одной из американских компаний разработана станция, которую можно встраивать в водоснабжающую систему дома. В водопровод встраивается турбина маленьких размеров, которая приходит в движение за счет потока воды, двигающегося самотеком. Это снижает скорость потока воды, но снижает себестоимость электроэнергии. К тому же данная установка полностью безопасна.

Устраиваются даже мини-гидроэлектростанции в канализационной трубе. Но их строительство требует создания определенных условий. Вода по трубе должна стекать естественным образом за счет уклона. Второе требование - диаметр трубы должен быть подходящим для устройства оборудования. А это невозможно сделать в отдельно стоящем доме.

Классификация мини-ГЭС

Мини-гидроэлектростанции (дома, в которых они используются, в большинстве относятся к частному сектору) чаще всего относятся к одному из следующих типов, которые различаются принципом работы:

• Водяное колесо - традиционный тип, который наиболее прост в исполнении.
• Пропеллер. Используют в тех случаях, когда река имеет русло шириной более десяти метров.
• Гирлянда устанавливается на реках с несильным потоком. Для усиления скорости течения воды используют дополнительные сооружения.
• Ротор Дарье устанавливается обычно на промышленных предприятиях.

Распространенность этих вариантов обусловлена тем, что они не требуют строительства плотины.

Водяное колесо

Это классический вид ГЭС, который наиболее популярен для частного сектора. Мини-гидроэлектростанции данного типа представляют собой большое колесо, способное вращаться. Его лопасти опускаются в воду. Вся остальная часть конструкции находится над руслом, заставляя двигаться весь механизм. Мощность передается через гидропривод генератору, вырабатывающему ток.

Пропеллерная станция

На раме в вертикальном положении располагается ротор и подводный ветряк, опускаемый под воду. Ветряк имеет лопасти, которые вращаются под воздействием потока воды. Лучшее сопротивление оказывают лопасти шириной два сантиметра (при быстром потоке, скорость которого, тем не менее, не превышает двух метров в секунду).

В данном случае лопасти приводятся в движение за счет возникающей а не за счет давления воды. Причем направление движения лопастей перпендикулярно направлению течения потока. Этот процесс похож на работу ветровых электростанций, только работает под водой.

Гирляндная ГЭС

Данного типа мини-гидроэлектростанции представляют собой трос, натянутый над руслом и закрепленный в опорном подшипнике. На нем в виде гирлянды навешены и жестко закреплены турбины небольшого размера и веса (гидровингроторы). Они состоят из двух полуцилиндров. За счет совмещения осей при опускании в воду в них создается крутящий момент. Это приводит к тому, что трос изгибается, натягивается и начинает вращаться. В данной ситуации трос можно сравнивать с валом, который служит для передачи мощности. Один из концов троса соединен с редуктором. На него и передается мощность от вращения троса и гидровингроторов.

Повысить мощность станции поможет наличие нескольких «гирлянд». Их можно соединить между собой. Даже это не сильно повышает КПД данной ГЭС. Это один из минусов подобного сооружения.

Еще один недостаток данного вида - создаваемая им опасность для окружающих. Подобного рода станции допустимо использовать только в безлюдных местах. Наличие предупредительных знаков обязательно.

Ротор Дарье

Мини-гидроэлектростанция для частного дома данного вида названа так в честь ее разработчика - Жоржа Дарье. Запатентована данная конструкция была еще в 1931 году. Представляет собой ротор, на котором находятся лопасти. Для каждой из лопастей в индивидуальном порядке подбираются нужные параметры. Ротор опускается под воду в вертикальном положении. Лопасти вращаются за счет перепада давления, возникающего под действием протекания по их поверхности воды. Этот процесс подобен подъемной силе, заставляющей самолеты взлетать.

Данный вид ГЭС имеет хороший показатель КПД. Втрое преимущество - направление потока не имеет значение.

Из недостатков данного можно выделить сложную конструкцию и непростой монтаж.

Преимущества мини-ГЭС

Независимо от вида конструкции мини-гидроэлектростанции обладают рядом преимуществ:

• Экологически безопасны, не вырабатывают вредных для атмосферы веществ.
• Процесс получения электричества проходит без образования шума.
• Вода остается чистой.
• Электричество вырабатывается постоянно, вне зависимости от времени суток или погодных условий.
• Для обустройства станции достаточно даже небольшого ручья.
• Излишек электроэнергии можно продать соседям.
• Не нужно много разрешающей документации.

Мини-гидроэлектростанция своими руками

Построить для получения электроэнергии можно самостоятельно. Для частного дома достаточно двадцати киловатт в сутки. С таким значением справится даже мини-ГЭС, собранная своими руками. Но при этом следует помнить, что данный процесс характеризуется рядом особенностей:

• Точные расчеты провести достаточно трудно.
• Размеры, толщина элементов выбирается «на глаз», только опытным путем.
• Самодельные сооружения не имеют защитных элементов, что приводит к частым поломкам и связанным с этим затратам.

Поэтому если нет опыта и определенных знаний в данной сфере, лучше отказаться от идеи подобного рода. Дешевле может оказаться приобретение уже готовой станции.

Если все же решаетесь делать все своими руками, то начинать необходимо с измерения скорости потока воды в реке. Ведь от этого зависит мощность, которую можно получить. Если скорость будет меньше одного метра в секунду, то строительство мини-гидроэлектростанции в данном месте не оправдает себя.

Еще один этап, который нельзя опускать - это расчеты. Необходимо тщательно рассчитать размер затрат, которые уйдут на строительство станции. В результате может оказаться, что гидроэлектростанция - не лучший вариант. Тогда стоит обратить внимание на другие виды альтернативной электроэнергии.

Мини-гидроэлектростанция может стать оптимальным решением в вопросе экономии затрат на электроэнергию. Для ее строительства необходимо наличие реки недалеко от дома. В зависимости от желаемых характеристик можно подобрать подходящий вариант ГЭС. При правильном подходе выполнить подобное сооружение можно даже своими руками.

Мини ГЭС – это малая гидроэлектростанция, которая вырабатывает не большое количество электрической энергии.

Принцип работы мини ГЭС

Принцип работы малых гидроэлектростанций ничем не отличается от принципа работы станций большой мощности. Вода водного образования, реки, озера, водохранилища, под действием напора, создаваемого своей массой, перемещается в заданном направлении и поступает на лопасти гидравлической турбины. Турбина передает свое вращательное движение на вращательное движение генератора, который вырабатывает электрический ток.
Напор воды создается путем строительства плотины или естественным течением воды, либо обоими способами одновременно.

Классификация устройств

Малыми считаются гидроэлектростанции вырабатывающие мощность до 5,0 МВт.
Существующие малые гидроэлектростанции классифицируются по:

1. Принципу действия

• Использование «водяного колеса» – в этом случае приемное колесо помещается в водную среду параллельно поверхности воды, при этом погружается лишь частично. Водные массы осуществляя давление на лопасти колеса, приводят его во вращательное движение, которое передается на вращательное движение генератора.
• Гирляндная конструкция – в данной варианте устройства с противоположных берегов прокладывается трос, на который жестко крепятся роторы. Массы воды поступательно перемещаясь вращают роторы. Вращательное движение роторов передается на трос, который, в свою очередь, вращаясь передает свое вращательное движение на вращательное движение генератора. Генератор устанавливается на берегу.
• С ротором Дарье – основой работы устройств данного типа является разность давлений на лопастях ротора. Разность давлений создается путем обтекания водой сложных поверхностей ротора.
• С пропеллером – принцип действия аналогичен работе ветрового генератора, с разницей в том, что в случае мини ГЭС лопасти помещены в водную среду.

2. Возможности применения

• Промышленное использование (180 кВт и выше) — используются для электроснабжения предприятий или реализации потребителям.
• Коммерческое использование (до 180 кВт) — используют для электроснабжения мало энергоемких предприятий и группы домов.
• Бытовое использование (до 15 кВт) — используются для электроснабжения индивидуальных домов и малых объектов.

3. По конструкции турбины

• Осевые – в агрегатах этой конструкции вода движется вдоль оси турбины и попадет на лопасти, которые приходят во вращение.
• Радиально-осевые – в этой конструкции вода изначально движется радиально по отношению оси турбины, а затем в соответствии с осью ее вращения.
• Ковшовые — вода поступает на поверхность ковша (лопатки) через сопла, благодаря которым скорость воды увеличивается, она ударяется о лопатку турбины, турбина вращается, в работу вступает следующая лопатка и процесс продолжается
• Поворотно-лопастные — лопасти поворачиваются вокруг своей оси одновременно с вращением турбины.

4. По условиям монтажа

Плюсы и минусы устройства

К преимуществам использования можно отнести:

• Экологическую безопасность установок для окружающей среды;
• Неисчерпаемый источник энергии;
• Низкая стоимость вырабатываемой энергии;
• Автономность работы установок;
• Надежность установок;
• Продолжительный срок эксплуатации.

К минусам использования относятся:

• Потенциальная опасность для обитателей водных объектов;
• Ограниченная возможность условий монтажа установки.

Производители установок и оборудования

Производством оборудования для мини ГЭС занимается ограниченное количество предприятий как в нашей стране, так и за рубежом. Объясняется это ограниченностью применения малых гидроэлектростанций обусловленную малым наличием необходимых водных объектов, а также тенденциями развития энергетики в разных странах.

Из зарубежных фирм успешно работающих в этой области бизнеса это

• «CINK Hydro-Energy» Республика Чехия – выполняет весь комплекс работ от проектирования и поставки оборудования, до монтажа и запуска установок в работу.
• «Micro hydro power» Китай – производит и реализует комплекты оборудования для небольших установок бытового применения.
• Инженерно-техническая фирма ОсОО «Гидропоника» г. Бишкек, Кыргызстан. Компания производит и реализует гидрогенераторы для малых ГЭС.

В России на этом рынке работают

• ООО «АЭнерджи» г. Москва. Компания занимается поддержкой развития альтернативных источников энергии. В области малой гидроэнергетики компания предлагает весь спектр услуг от проектирования до сервисного обслуживания сданных установок.
• Межотраслевое научно-техническое объединение «МНТО ИНСЭТ» г. Санкт-Петербург. Фирма занимается проектированием и разработкой оборудования для мини ГЭС, изготовлением и монтажом своей продукции. В линейке выпускаемой продукции имеется:
  • Мини ГЭС с пропеллерным рабочим колесом мощность от 5,0 до 100 кВт;
  • Мини ГЭС с диагональным рабочим колесом, мощностью 20,0 кВт;
  • Мини ГЭС с ковшовым рабочим колесом мощностью до 180 кВт;
  • Гидроагрегаты для малых ГЭС.
• Компания «НПО Инверсия» г. Екатеринбург. Фирма производит оборудование и комплекты мини ГЭС мощностью до 10 кВт.

Мини ГЭС своими руками

Для того чтобы изготовить своими руками необходима смекалка, умение работать руками и водный объект,
да кое-что по мелочам, как то автомобильный генератор, колесо от любого средства передвижения и передаточный механизм (шкивы, шестерни, зубчатая передача).

В начале необходимо изготовить водяное колесо. Для этого берется колесо от велосипеда, мотоцикла или автомобиля. По диаметру колеса крепятся лопасти, для это можно использовать любой материал, лишь бы он был прочным и не гнулся – железо, фанера, твердый пластик, эбонит и т.д. Крепить лучше всего болтовым соединением, чтобы была возможность заменить поврежденные в процесс работы лопасти. Лопасти располагаются на равном расстоянии друг от друга.

Изготавливается каркас, на котором закрепляется колесо. В местах крепления к каркасу необходимо предусмотреть установку подшипников в которые вставляется ось вращения колеса. На один конец оси монтируется большой шкив или большая по размеру звездочка. На ось генератора насаживается малый шкив или меньшая звездочка.

Вариант самодельной мини ГЭС с вертикальной установкой колеса

Колесо помещается в воду, это может быть вертикальная установка в плоскости перпендикулярной поверхности воды, либо горизонтальная – когда колесо погружается в воду целиком. Во втором случае необходимо учесть, что колесо должно быть погружено в воду не более чем на 2/3 толщины диска.
Шкивы между собой соединяются посредством ремня, а звездочки посредством цепи.

Система готова к работе.

12/03/2014

Все больше мирового внимания в последние годы привлекает нетрадиционная энергетика. Это совершенно правомерно и объяснимо: применение солнечной, речной, морской, ветряной энергии замещает использование дорого топлива, а небольшие станции могут обслуживать труднодоступные районы. Этот факт актуален для стран с горными массивами или малонаселенными пунктами, где прокладка электросетей экономически нецелесообразна.

В России же почти 70% территории относятся к зоне децентрализованного электроснабжения. Даже сегодня у нас можно найти населенные регионы, которые не обеспечены электричеством. И это не всегда Сибирь или Крайний Север. Некоторые поселки Урала весьма неблагополучны для энергетики. Но если разобраться, электрификация «трудных» районов может оказаться не таким уж трудным делом. Ведь даже в самых отдаленных уголках можно отыскать речку или ручей, где с легкостью разместиться микро-ГЭС.

Тем более, что в нашей стране для повсеместного развития гидроэнергетики есть все условия. Российский потенциал гидроресурсов сопоставим с объемом вырабатываемой электроэнергии всеми существующими электростанциями. А энергетические возможности малой гидроэнергетики во много раз больше, чем потенциал ветра, солнца и биомассы сложенных вместе. Но, к сожалению, энергию рек мы задействовали только на четверть от возможного. Хотя именно с ней многие эксперты связывают развитие энергетической отрасли в обозримом будущем.

Гидроэнергетика – это выработка электрической энергии с помощью гидротурбин различных мощностей, которые установлены на постоянных водотоках. В большинстве случаев при создании гидроэлектростанции требуется возведение плотины с установкой гидротурбин, но не исключается возможность создания бесплотинных станций. К объектам малой гидроэнергетики относятся малые ГЭС (гидроагрегаты мощностью от 100 кВт до 30 МВт) и микро-ГЭС (мощность до 100 кВт).

Малые ГЭС (МГЭС) представляют собой турбину с генератором и системой автоматического управления. А в соответствии с характером использования гидроресурсов они подразделяются на русловые — станции с маленькими водохранилищами; станции, в использовании которых находится скоростная энергия свободного течения реки; станции с источником энергии в виде перепада уровня воды.

Спектр источников энергии для МГЭС очень обширен. Это небольшие речушки и ручьи, также используется перепад высоты озерных водосборов и оросительных каналов ирригационных систем. Турбины малых электростанций могут быть гасителем энергии на перепаде высоты различных трубопроводов, которые перекачивают жидкие продукты. Установить небольшие гидроагрегаты возможно на технологических водотоках, таких как промышленный или канализационный сбор. С микро-ГЭС ситуация еще проще – они устанавливаются почти в любых местах и могут использоваться в качестве источника энергии в дачных поселках, фермерских хозяйствах, хуторах, небольших производствах.

У каждого способа получения электроэнергии есть свои плюсы и минусы, МГЭС в этом случае не являются исключением. Основное достоинство малой гидроэнергетики в том, то она экологически безопасна. Процесс сооружения и эксплуатации не имеет вредного воздействия на водоем, атмосферу, растительный или животный мир, местный микроклимат. Помимо этого, современные МГЭС характеризуются простотой конструкции и полной автоматизацией. Они могут осуществлять работу как самостоятельно, так и в качестве составной части электросети, причем эксплуатационный ресурс данных агрегатов – не менее 40 лет.

Немаловажен и тот факт, что для организации работы МГЭС большие водохранилища с огромными затопленными территориями не требуются. При их создании повышается энергетическая безопасность региона, обеспечивается независимость от дорогостоящих видов топлива, происходит экономия дефицитных ископаемых. Строительство таких станций не нуждается в крупных капиталовложениях, большом количестве энергоемкого строительного материала и существенных тудозатратах, окупается в относительно короткий период времени.

Минусы малой гидроэнергетики не так существенны, как в некоторых других видах получения энергии, но, тем не менее, они есть. Как и все локализированные источники, объекты МГЭС уязвимы в случае возможности выхода из строя, тогда потребители рискуют остаться без электричества. Решение проблемы – ввод резервной генерирующей мощности. Самыми распространенными авариями могут быть разрушения плотины при переливе через нее воды, при неожиданном подъеме. Иногда малые ГЭС становятся причиной заливания водохранилищ, а также могут оказывать влияние на процессы формирования русла. Выработка электроэнергии такими станциями неравномерна в силу зимних и летних спадов. Поэтому многие районы используют малую гидроэнергетику, как резервный вариант.

В последние десятилетия малые гидроэлектростанции находят широкое распространение во многих странах. В некоторых из них общая мощность МГЭС составляет более 1 млн. кВт. Такие результаты наблюдаются в США, Канаде, Швеции, Испании, Франции, Италии. Неоспоримый лидер в этой сфере КНР. Здесь работает большое количество МГЭС составной мощностью 13 млн. кВт. В перечисленных странах малые электростанции выступают в качестве местных экологически чистых источников энергии. Их работа экономит традиционные топлива, значительно сокращая вредные выбросы диоксида углерода.

Российская малая гидроэнергетика имеет огромный потенциал. Количество небольших рек у нас более 2,5 млн., в сумме их сток превышает 1000 км. кубических в год. Специалисты оценивают, что сегодня мы в состоянии с помощью малых ГЭС генерировать более 500 млрд. кВтч в год. Основной ресурс для развития МГЭС сосредоточен в районах Дальнего Востока, Архангельске, Мурманске, Калининграде, Карелии, Туве, Якутии, Тюменской области.

Свое развитие в нашей стране малая гидроэнергетика начала в первые годы 20 века. Исторические документы говорят о том, что в 1913 году в России работали 78 станций, общей мощностью 8,4 МВт, самая большая из них располагалась на реке Мургаб – 1,35 МВт. Руководствуясь данными показателями, можно сделать вывод, что эти ГЭС относятся к разряду малых. В 1941 на территории России работало более 600 МГЭС, суммарной мощностью в 330 МВт. Бум в строительстве малых станций наблюдается в 40-50е гг. 20 века, когда каждый год вводились более 1000 гидрообъектов малой мощности. После окончания ВОВ их общее количество составило 6500 единиц.

Но в 50-е годы произошел глобальный переход к строительству ГЭС больших мощностей и перевод сельских потребителей на централизованное энергоснабжение, что привело к полному упадку отрасли малых ГЭС. На момент распада СССР в стране осталось всего 55 действующих МГЭС. В 2000-х правительство попыталось стимулировать развитие малой гидроэнергетики, но этому помешал кризис. До последнего момента процент энергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями медленно, но постоянно снижался: в 1995 году его доля составляла 21%, в 1996 – 18%, в 1997 – 16%. Причина этого в износе оборудования и увеличении в энергобалансе страны роли другого энергоресурса, которым является природный газ.

Но, тем не менее, эксперты прогнозируют, что доля электроэнергии малых ГЭС в ближайшем будущем станет постепенно увеличиваться. Наиболее актуален этот процесс будет для зоны децентрализованного обеспечения, где с помощью МГЭС будут заменять старые неэкономичные дизель- электростанции. Данная мера позволит сократить расходы федерального бюджета и повысить эффективность и энергетическую безопасность «трудных» районов. Так, в Дальневосточных регионах энергию до сих пор вырабатывают несколько тысяч дизельных электростанций, зависимость электроснабжения от поставок дизельного топлива почти 100%. Стоимость и доставка дизтоплива для подобных целей очень высока, поэтому вопрос о введении тут других энергоресурсов стоит очень остро.

Работа по обеспечению таких районов альтернативными источниками энергии, в том числе и малыми ГЭС уже началась. Так, в Адыгее введены в действие 2 МГЭС, работа которых направлена на подачу питьевой воды. В Краснодарском крае установили несколько небольших гидроагрегатов мощностью в 350 кВт. В Тыве и на Алтае работают 3 МГЭС – 10, 50 и 200 кВт. В Карелии и Ленинградской области действуют 4 мини ГЭС мощностью от 10 до 50 кВт., в Башкирии есть 4 МГЭС, оснащенные агрегатами от 10 до 50 кВт., и многие другие. К 2020 году правительство планирует довести объем электроэнергии малых ГЭС до 1000 МВт мощности.