Развитие альтернативных источников энергии началось в 18 в. Первым изобретением стало водяное колесо. Спустя два столетия появились микроГЭС. Они вырабатывают от 5 до 100 кВт электричества.

Альтернативная энергетика с конца 20 в. занимает солидную долю в мировой системе. Изменения климата за последние десятилетия создали проблемы. Сокращение запасов нефти, увеличение выбросов парниковых газов в атмосферу заставляет научные центры ускорять разработки альтернативных источников электричества.

Одно из перспективных направлений исследований — использование гидроэнергии малых рек и озер. Оно позволяет снизить тепловое загрязнение окружающей среды и повысить энергетическую безопасность регионов, что приведет к экономии органического топлива.

МикроГЭС — это установка, предназначенная для преобразования кинетической энергии воды в электричество.

Информация. Международное агентство по возобновляемым ресурсам (IRENA) своим решением в сентябре 2019 г. призвало руководителей государств и частных корпораций увеличить вдвое инвестиции в разработку инноваций и довести их к 2030 г. до 4,3 трлн $ США.

Сила воды и ее потенциал

Человек научился использовать эту стихию с того момента, когда спустил в реку первую лодку и переместился в ней вниз по течению. Так началась мировая эволюция гидроэнергетики. Дальше было изобретение водяного колеса, которое использовалось как насос для подачи жидкости в населенные пункты и для орошения.

Затем ось вращающегося от потока реки колеса соединилась с мельничными жерновами и произошла промышленная революция. Резко увеличились площади посевов зерновых культур. Полученная на водяных мельницах мука стала товаром и начала поступать в регионы, где зерно не выращивалось. Это послужило причиной роста производительности труда в сельском хозяйстве и расширения международной торговли.

Схема действия турбины микроГЭС

Шагом вперед в эволюции водяного колеса стало его использование для привода механизмов: ткацких станков, кузнечных мехов и молотов, пилорам и т. д. В 19 в. с открытиями в области электричества начались попытки соединить водяное колесо с генератором электроэнергии.

Рисунок 1. Строение турбины. Источник: Яндекс. Картинки

Рисунок 1. Строение турбины.
Источник: Яндекс. Картинки

Очень низкая эффективность системы для преобразования энергии потока заставила искать более совершенные решения. В 18 веке швейцарские ученые Даниил Бернулли и Леонард Эйлер заложили основы гидродинамики и разработали теорию расчета гидравлических турбин.

Интересно. Принципиальное отличие турбины от колеса в том, что в первой поток проходит насквозь через лопасти. Преимущества такой схемы — в значительном увеличении коэффициента полезного действия (КПД) и частоты вращения ротора.

Передача электроэнергии на большие расстояния в конце 19 в. дала толчок революционному развитию гидроэнергетики.

Преобразователи энергии движения жидкости

Гидроэлектростанции малой мощности приобретают значение в энергетике не только развивающихся, но и высокоразвитых стран. Принято классифицировать ГЭС по мощностному ряду:

Таблица 1. Разновидности установок.

Наименование

Мощность, кВт

Мини

100-1000

Микро

5-100

Пико

1-5

В микрогидроэнергетике применяются турбины таких типов:

  • осевые;
  • диагональные;
  • поворотно-лопастные;
  • ковшовые.

По принципу действия они бывают:

  1. Активными. Используют кинетическую энергию потока.
  2. Пассивными. Работают за счет потенциальной энергии (разности высоты верхнего и нижнего бьефа плотины) воды.

Для получения электричества от малых рек и ручьев с небольшим перепадом высот используются активные пропеллерные агрегаты. К их достоинствам относится большая скорость вращения ротора, которая может быть в 2 раза быстрее течения. Эффективны такие системы при напорах от 1 до 30 метров.

По виду технологической схемы подвода жидкости есть две категории микроГЭС:

Таблица 2. Типы аппаратов.

Название

Описание

Русловые

Агрегат устанавливается в русле и для обеспечения необходимого напора требуется сооружение плотины

Деривационные

Для создания давления на рабочем колесе турбины вдоль реки прокладывается трубопровод вверх по течению, где оборудуется забор жидкости

К сведению. Длина отводной системы определяется исходя из необходимого напора в метрах и скорости потока.

Трубопровод укладывается с меньшим углом наклона, чем русло реки. Он соединяется со входом микроГЭС. Вода, перемещаясь через лопасти турбины, отдает свою энергию и стекает обратно в реку. Мощность гидравлической установки пропорциональна скорости течения.

Гидродинамические характеристики агрегата рассчитываются индивидуально на основании параметров потока в месте установки электростанции.

Применение генератора

Главные плюсы системы:

  • экологическая чистота;
  • низкие капитальные расходы.

Примечание. По данным Евразийского Банка Развития, инвестиционные затраты для микроГЭС равняются 1 000-4 000 $ на 1 кВт установленной мощности. Нижний предел относится к маломощным агрегатам, работающим без подпорных плотин. Ежегодные эксплуатационные расходы при этом составляют от 1,5 % до 2,5 % от инвестиционных затрат.

Сейчас китайские производители выпускают и поставляют на рынок ряд устройств мощностью от 0,6 кВт до 20 кВт. Например, модель «Тюрго 5000» стоимостью 143 000 руб. представляет собой гидротурбину с соосно установленным электрогенератором мощностью 5 кВт. Состоит из направляющего аппарата, ротора и регулировочного вентиля.

Рисунок 2. Внешний вид установки Turgo 5000. Источник: Alibaba.com

Рисунок 2. Внешний вид установки Turgo 5000.
Источник: Alibaba.com

Устройство наиболее эффективно можно использовать с деривационным трубопроводом, который соединяется с патрубком агрегата. Вода поступает к направляющему аппарату, через который попадает на лопатки турбины, вращает ее и сливается наружу.

Кстати. Инвестиционные затраты на оборудование деривационной микроэлектростанции с таким турбогенератором мощностью 5 кВт составят 1 000 $/кВт × 5 кВт = 5 000 $ = 320 000 руб.

Аппараты можно применять для нужд малого бизнеса в удаленных от стационарных электросетей районах. Например, предприниматели, имеющие портативные пилорамы, осуществляют распиловку леса зимой, когда разрешен вывоз древесины. Установка микроГЭС мощностью 5 кВт может существенно снизить затраты.

В дневное время основной потребитель — пилорама, в остальные часы электроэнергия идет на отопление помещения. Таким образом, в холодные периоды задействуется полная мощность гидрогенератора, летом нагрузка значительно ниже и учитывается коэффициент сезонности 0,5.

Пример. Годовое потребление электроэнергии ориентировочно составит 5 кВт × 24 часа/сутки × 365 дней × 0,5=21900 кВт·ч, где 0,5 — показатель сезонности. Тогда, при среднем тарифе 5 руб./кВт·ч, получаем годовые затраты в сумме 21900 кВт·ч × 5 руб./кВт·ч = 109 500 руб.

Экономическую эффективность такой схемы можно определить как срок окупаемости микрогидроэлектростанции. Легко подсчитать, что при гарантии 15 лет и более показатель ориентировочно составляет 300 000 руб./109 500 руб. = 3,3 года. Это приемлемая цифра для аналогичных проектов.

Рисунок 3. Принцип действия технологии. Источник: Яндекс. Картинки

Рисунок 3. Принцип действия технологии.
Источник: Яндекс. Картинки

Перспективным направлением повышения эффективности применения микроГЭС является сохранение вырабатываемой энергии в периоды, когда генератор загружен не полностью. Применение тепловых аккумуляторов на основе смеси солей щелочных металлов с высокой теплоемкостью может значительно улучшить эффективность отопительных систем в домах в зимнее время.

Будущее технологии

В нашей стране перспективным направлением применения микроГЭС являются удаленные регионы без централизованного электроснабжения, занимающие до 70 % территории.

Несмотря на то что доля гидроэнергии в общей выработке электричества в России составляет 21 %, на микрогидроэнергетику приходится не более 1,5 %. По этому показателю мы значительно отстаем от Европы. Хотя потенциал превышает возможности всех возобновляемых источников.

Для широкого использования технологии необходимо упорядочить вопросы лицензирования, строительства и выдачи разрешений на эксплуатацию водных ресурсов.