микрогидроэлектростанций

Экономические показатели микроГЭС в значительной мере зависят от ее конструкции. Обычно микроГЭС содержит в своей конструкции такие обязательные элементы как гидротурбина, электромашинный генератор, система стабилизации выходного напряжения и ряд элементов, наличие и конструкция которых зависит от типа и особенностей станции: определенные гидротехнические сооружения, запорная арматура, балластные нагрузки и т. д. В качестве гидродвигателей, преобразующих энергию потока в механическую энергию приводного вала генератора, в той или иной степени используются все типы гидротурбин: поворотно-лопастные, радиально-осевые, импульсные, осевые, турбины с горизонтальной и наклонной осями вращения и т. д. [35, 36]. Как правило, микроГЭС не требуют возведения сложных гидротехнических сооружений – плотин. Поэтому их турбины устанавливаются либо в свободном потоке воды, либо в специальном напорном трубопроводе. Для работы в свободном потоке воды применяют, в основном, гидротурбины активного типа, типичным примером которых могут служить водяные мельницы. Достоинством активных турбин является их максимальная простота и относительная жесткость механических характеристик. Тем не менее, низкая частота вращения и малый коэффициент полезного действия активных гидродвигателей ограничивает их применение в гидроэнергетике. Напорный трубопровод позволяет повысить энергию рабочего потока воды, применять более эффективные типы гидротурбин реактивного типа. Очевидно, что мощность гидротурбины с напорным трубопроводом не будет зависеть от водного режима реки, если ее минимальный сток превышает количество воды, поступающей в трубопровод. Диаметр трубопровода и перепад высот между его верхней и нижней точкой определяют расчетную мощность станции. Трубопровод микроГЭС может выполняться из стальных, бетонных, резиновых и других труб, широко применяемых в оросительных системах. Его стоимость существенно зависит от рельефа местности, определяя целесообразность применения микроГЭС, прежде всего в горных районах с большими уклонами русла реки. Правильное использование рельефа местности, а так-же простейшие сооружения типа деривационных каналов, во многих случаях, позволяют уменьшить длину, и соответственно, и стоимость напорного трубопровода.

Существенным фактором, ограничивающим применение микроГЭС в северных широтах, являются ледовые явления. Выработка электроэнергии микроГЭС с напорным трубопроводом возможна в период открытого русла, поэтому крайне важное значение имеет достоверная информация о начале и окончании ледовых явлений.

Для определения технических и экономических критериев эффективности электроснабжения от микроГЭС из кадастра гидроэнергетических ресурсов должны быть определены следующие основные показатели для предполагаемого места установки станции:

– средний уклон реки, Δ Н (м/км);

– средний расход воды водотока в период летней межени, Q (м3/с);

– средняя скорость течения в период летней межени, V (м/с);

– число часов в году с открытым руслом, Ч.

На первом этапе определяется техническая возможность применения микроГЭС в данном месте. Возможности создания и/или использования имеющегося геометрического напора воды (Н) для выработки энергии зависят, прежде всего, от рельефа местности, определяющего продольные уклоны рек на разных их участках. Благодаря неодинаковой устойчивости подстилающих горных пород к размыву, тектоническим движениям и многим другим факторам, реки имеют неплавную форму, характерную для профиля равновесия, а изломанную форму продольного профиля. Соответственно, многие реки имеют аномальные уклоны, скорость течения воды на которых может намного превышать среднюю. Поэтому выбор конкретного места установки станции должен производиться с учетом карты аномальных уклонов рек для данной территории.

Средняя скорость течения реки может значительно изменяться в зависимости от времени года, и минимальна, как правило, в период ледостава и летней межени. На данном уровне развития техники, техническая реализация проекта электроснабжения автономного объекта от микроГЭС возможна при минимальной скорости течения водотока вместе установки станции V min (м/с) более 1 м/с.

На втором этапе анализа определяется мощность установки, которая может быть установлена на данном водотоке. Работа водного потока осуществляется под действием силы тяжести, точнее, ее проекции на направление движения, поэтому действие воды определяется разностью уровней воды в начале и конце рассматриваемого участка реки. При разности уровней Н (м) на длине участка L (м) и среднем расходе воды Q (м3/с), мощность микроГЭС Р (Вт), которую можно установить на рассматриваемом участке составит:

Р = ηρ gQH (Вт),

где η – коэффициент полезного действия гидроэлектроагрегата; ρ –плотность воды, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2. Коэффициент полезного действия гидроэлектроагрегата зависит от η турбины и электрического генератора и в расчетах принимается равным 0,75; плотность воды ρ = 1000 кг/м3, g = 9,81 м/с2. Величина напора, который может обеспечить водоток, Н (м), определяется из предположения, что максимальная длина напорного трубопровода не должна превышать 200 м, иначе его сооружение экономически не целесообразно. Максимальная длина рабочего трубопровода ограничена превышением его стоимости над полнокомплектным оборудованием станции при длине более 200 м:

Н max = 0,2 Δ Н (м).

Величина рабочего напора гидроагрегата предварительно определяется по среднему уклону русла реки из следующих пределов: Н = 4 м, при Δ Н = 1,0 – 4,0 м/км; Н = 10 м, при Δ Н = 4,0 – 10,0м/км; Н = 20 м, при Δ Н > 20,0 м/км. При значениях Δ Н < 1,0 м/км следует использовать конструкцию микроГЭС без напорного трубопровода.

Расчет капитальных затрат

Капитальные затраты на микроГЭС напрямую связаны с ее мощностью. Однако, стоимость 1 кВт установленной мощности электроустановки с увеличением полной мощности станции, как правило, уменьшается. В связи с этим, в расчетах выделяются 3 диапазона мощностей микроГЭС с разной удельной стоимостью 1 кВт установленной мощности:

Р < 10 кВт, К уст.уд= 25000 р./кВт;

10 кВт < Р < 50 кВт, К уст.уд= 20000 р./кВт;

50 кВт < Р < 100 кВт, К уст.уд= 15000 р./кВт.

Исходными данными для определения удельной стоимости 1 кВт установленной мощности микроГЭС является стоимость продукции ведущих российских фирм разработчиков и производителей оборудования для малой гидроэнергетики. Комплектность поставки, массогабаритные характеристики и стоимость микроГЭС с пропеллерными и диагональными турбинами АОЗТ «МНТО ИНСЭТ» приведены в литературе [8].

Продукция зарубежных фирм имеет стоимость в 1,5–2,5 раза выше отечественных аналогов.

Существенной особенностью микроГЭС являются значительные различия в конструктивном построении станций на малые, до 2 м, и большие напоры. Наиболее эффективны для микроГЭС быстроходные пропеллерные турбины, выпускаемые отечественными производителями на напоры от 2 м и выше. На малые напоры наиболее перспективным вариантом является применение погружных свободно-поточных гидротурбин, использующих для получения мощности скорость течения воды в водотоках. В России опыт изготовления поперечно-струйных и свободно-поточных турбин имеет, например, Санкт-Петербургская фирма «Энерго-Альянс» [30], специализирующаяся на проектировании турбин, способных при низких напорах пропускать большие расходы и производить значительные мощности. Погружные гидроагрегаты на основе свободно-поточных турбин не требуют значительных затрат на строительные и монтажные работы по установке станции на месте, но удельная стоимость комплектных установок на их базе значительно выше.

Ориентируясь на цены компании «Энерго-Альянс» в расчетах для микроГЭС, устанавливаемой на водотоках на напоры до 2 м, принята следующая удельная стоимость 1 кВт установленной мощности энергоустановки: при Δ Н < 1,0 м/км, К уст.уд= 50000 руб/кВт. Определив установленную мощность станции, и выбрав соответствующую ей удельную стоимость установки, можно найти полную стоимость комплектного гидросилового оборудования: