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
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:
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:
- Активными. Используют кинетическую энергию потока.
- 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:
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
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
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.
Комментарии 5
Где купить энти микрогэс по вменяемой цене?
А разрешение на использование водных ресурсов в данных целях, к установке прилагаются? )))
Интересный пример. "Годовое потребление электроэнергии ориентировочно составит 5 кВт × 24 часа/сутки × 365 дней × 0,5=21900 кВт·ч" у меня трехкомнатная квартира с электроплитой и духовкой. У меня за месяц потребление 308 кВт*ч. Это в 5 раз меньше, чем в вашем расчете. При этом Вы это подводите к тому, что мощность ГЭС тоже 5 кВт. Но та же плита, у меня 8 кВт. К капзатратам стоит отнести ещё аккумулятор, а это уже другие затраты. Потребление у частников очень неоднородное. Готовят еду, смотрят телевизор потребление 10 кВт. Легли спать - потребление 100 Вт. Так что подумайте и про срок окупаемости и про удобство.
Что то не видел в продаже эти установки .... А есть те которые устанавливаются внутри трубы и каскадно ?
В СССР к малым относились ГЭСы мощностью до 30 МВт. У них КПД доходит до 90%, работают без нарушения экологии и вырабатывают самую дешевую электроэнергию с себестоимостью 0,4-0,7руб/кВт.ч. К большому сожалению этот вид возобновляемой энергетики в современной России не развивается из-за малой рентабельности дельцам от энергетики. Они делают упор на так называемые солнечные станции, которые работают без накопителей э/э, т.е. без аккумуляторов. днем якобы работают и то не всегда, ночью - нет. А это при кпд панелей 9-12%! С учетом ночных простоев эти мизерные кпд уменьшаются в два раза. Зато стоимость 1 кВт.часа доходит до 25 рублей! Вот таким образом теперь обогащается Чубайс, создавая псевдоСЭСы!