Малая гидроэнергетика в россии. Малая гидроэнергетика Достоинства и недостатки различных систем миниГЭС

Гидроэнергетические установки это совокупность компонентов, связанных между собой и служащих для преобразования энергии (кинетической и потенциальной) в электрическую или наоборот.

По существующей классификации к малым относятся мощностью до 10-15 МВт, в том числе:

малые ГЭС - от 1 до 10 МВт.

мини-ГЭС - от 0,1 до 1 МВт.

микро-ГЭС - мощностью до 0,1 МВт.

Решающую роль для мощности гидроэлектростанции играют расход и напор. Расход и напор регулируются с помощью запаса воды, заранее накопленной в верхнем бьефе. Чем больше воды в водохранилище, тем выше уровень верхнего бьефа, а соответственно и напор.

Источник гидроэнергопотенциала, используемого на ГЭС, - крупные средние и малые реки, ирригационные системы и системы водоснабжения, склоновый сток ледников и вечных снегов. ГЭС в основном отличаются друг от друга способом создания напора, степенью регулирования стока, типом установленного основного оборудования, комплексностью использования водотока (одно- или многоцелевое назначение) и т.д.

Малые гидроэлектростанции (малые ГЭС) играют особенно важную роль в электроснабжении автономных потребителей, рассредоточенных вдали от линий электропередачи. В статье рассмотрены распространенные конструкции, использующие энергию малых водотоков.

Установка для использования текущей среды показана на рис. 1 а. Функционирует она следующим образом. При воздействии на вертикальные лопасти 1 текущей средой, возникает гидродинамическая сила, приводящая в движение балластные ободы. Через кинематическую связь 3 опора передает крутящий момент на вал электрогенератора, при этом сам электрогенератор остается неподвижным. Данная гидроэнергетическая установка работает на равнинных водотоках, от размеров и энергии которых зависит ее мощность.

Рис. 1. Схемы работы равнинной гидроустановки: а) Равнинная гидроустановка, б) б) Гидроэнергетическая установка.

Гидроэнергетическая установка (рис. 1,б), двигаясь, использует энергию текучей среды посредством рабочего колеса 6. Рабочее колесо 1 содержит вал и расположенные на нем лопатки. Установка смонтирована на раме 7, закрепленной на понтонах 6. Перпендикулярно наклоненные к направлению потока воды лопатки меняют свою ориентацию по направлению к потоку посредством колеса 4.

Одна из лопаток выполнена составной из соединенных между собой внутренней и наружной частей, имеющих поперечный разъем, расположенный под углом к оси, и ослаблена эластичной прокладкой, размещенной между частями, и упругой связью. Упругая связь выполнена в виде пакета пластин, обращенных к потоку среды, имеющих переменную длину, умещающуюся в сторону от лопатки и контактирующих с ее наружной частью. Устройство ориентировано на равнинный водоток. Применяются электрогенерирующие машины может синхронного и асинхронного типов.

В гидроэнергетической установке, изображенной на рис. 2, поток жидкости регулирующим клапаном 1 попеременно отклоняется в камеры 2 и 3 и обратно.

Рис. 2. Турбина в проточном тракте сифона

Вращательное движение жидкости в камерах вызывает колебания воздуха и его переток по трубопроводам 4 и 6 с приведением в действие турбины 5 и спаренного с ней генератора. В целях повышения эффективности работы всего устройства его устанавливают в проточном тракте сифона. Необходимые условия безотказной работы – чистая без крупных фракций протекающая жидкость. Для данной установки необходима сороудерживающая решетка.

Наплавная водяная турбина 16 кВт (рис. 3) предназначена для преобразования кинетической энергии потока в механическую, а затем в электрическую энергию. Турбина представляет собой протяженный круглый элемент из легкого (легче воды) материала с винтовыми ребрами на его поверхности. Элемент шарнирно закреплен с двух сторон тягами, передающими вращающий момент генератору.

Рис 3. Наплавная водяная турбина

Гидросиловая установка (рис. 4) предназначена для выработки электроэнергии минигенератором, который приводится во вращение бесконечным приводным ремнем 1 с расположенными на нем водяными ковшами 2. Ремень 1 с ковшами 2 смонтирован на раме 3, способной плавать на волнах. Рама 3 крепится к опоре 4, на которой расположен генератор 5.

Ковши расположены на внешней стороне ремня с открытыми сторонами, обращенными к горизонтальному направлению течения воды. Число ковшей определяется из условия обеспечения вращения генератора. Возможен вариант использования устройства «лестничного» типа с прикрепленными лопастями.

Рис. 4. Ременно-ковшевая установка

Устройство для использования кинетической энергии водотоков состоит из расположенных в воде на противоположных берега х вертикальных цилиндров, на которые надет шкив (рис. 5).

Рис. 5. Микроплотинная установка

Между верхними и нижними осями шкива установлены лопатки. За счет угла атаки между лопатками и вектором скорости, текущая вода приводит во вращение цилиндры, а через шкив - генератор, вырабатывающий электроэнергию.

Устройство для использования энергии водотоков состоит из рабочего колеса 1, вертикально расположенного в потоке воды, с шарнирно закрепленными лопатками 2 на верхнем 1 и нижнем 3 ободе (рис. 6). Верхний обод 1 соединен с генератором 4. Положение лопаток 2 регулируется самим потоком: перпендикулярно течению в прямотоке и параллельно движению против течения.

Рис. 6. Устройство, преобразующее энергию водотока

Рукавная микрогидроэлектростанция 1 кВт (МГЭС-1) состоит из турбины в виде беличьего колеса 1, направляющего аппарата 2, гибкого трубопровода 3 диаметром 150 мм, водозаборного устройства 4, генератора 5, блока управления 6 и станины 7 (рис. 7).

Рис. 7. Рукавная микро ГЭС 1 кВт

Работа данной МикроГЭС осуществляется следующим образом: водозаборное устройство 4 концентрирует гидравлическую среду и посредством трубопровода 3 обеспечивает перепад высоты между верхним уровнем воды и рабочей турбиной 1, взаимодействие определенного давления гидравлической жидкости с турбиной, приводит во вращение последнюю. Вращающийся момент турбины 1 передается электрогенератору.

Сифонная гидроэнергетическая установка (рис. 8) применяется там, где возникает перепад гидравлической жидкости на высотах от 1,75 м от плотины или в результате естественных условий.

Рис. 8. Сифонная гидроустановка

Работа этих установок происходит следующим образом: проходящая гидравлическая жидкость через турбину 1 поднимается через гребень плотины, рис. 9, вращательный момент передается посредством вала 2 и ременную передачу 3 электрогенератору 4. Отработанная жидкая среда по расширяющему водоводу поступает в нижний бьеф.

Низконапорная микрогидроэлектрическая установка (рис. 9) работает с номинальным напором жидкого столба не менее Н = 1,5м. При уменьшении перепада уменьшается выходная мощность. Рекомендованная высота перепада – 1,4-1,6 м.

Рис. 9. Низконапорная гидроэлектростанция

Принцип работы основан на взаимодействии гидравлической жидкости, обладающей потенциальной энергией, преобразуемой во вращающуюся, а затем в электрическую форму. В заборном устройстве 1 текучая среда попадает в турбину 2, предварительно жидкость закручивается и, проникая в отводную трубу дополнительно за счет падающей жидкости, взаимодействует с лопастями турбины 2, кинетическую энергию жидкости преобразует во вращающийся момент вала 3, затем на электрогенератор.

Вес низконапорной станции составляет 16 кг при мощности Р = 200 Вт. Пропеллерный полупрямоточный гидроэнергопреобразователь состоит из напорного водовода 1, направляющей решетки 2, пропеллерной турбины 3, закругленного отводного канала 4, вала передачи момента 5 и электрогенератора 6 (рис. 10).

Рис. 10. Полупрямоточный преобразователь

Электрическая мощность данной конструкции лежит в предела 1-10 кВт при перепаде высоты Нм=2,2-5,7 м. Расход воды QH=0,05-0,21м 3м/с. Перепад высоты Нм=2,2-5,7 м. Скорость вращения турбины составит wn = 1000 об/м.

Капсульный гидропреобразователь на базе электродвигателя 2ПЭДВ-22-219 (рис. 11) работает аналогично предыдущей гидроэнергоустановке при напоре Н=2,5-6,3м и расходе воды Q= 0,005-0,14 м 3 /c. Электрическая мощность 1-5 кВт. Диаметр водяных турбин от 0,2 до 0,254 м. Диаметр гидравлического колеса Дк = 0,35-0,4м.

Рис. 11. Капсульная микроГЭС

Прямоточный гидропреобразователь (рис. 12) состоит из турбины пропеллерного типа 1, направляющей решетки 2, вала передачи момента 3, электрогенератора 4, отводящего трубопровода 5. Работает при помощи напорного трубопровода.

Рис. 12. Прямоточный гидропреобразователь

Гидропреобразующее устройство (рис. 13) предназначено для преобразования энергии быстродвижущейся жидкой среды в электрическую.

Рис. 13. Гидропреобразователь энергии быстрого водотока

Оно состоит из пропеллерной турбины 1, расположенной в капсуле 2, и устанавливается на водотоках, именуемых «быстротоками». Капсула расположена в направляющем аппарате 4, который устанавливают внутри текущей среды. Вращательный момент от турбины передается на вал 5, а затем электрогенератору 6.

Малая гидроэнергетика

Гидроэнергетика – область наиболее развитой на сегодня энергетики на возобновляемых ресурсах, использующая энергию падающей воды, волн и приливов.

Основные направления развития гидроэнергетики: восстановление старых МГЭС путем капитального ремонта и частичной замены оборудования; сооружение новых МГЭС на водохранилищах неэнергетического (комплексного) назначения, на промышленных водосбросах; строительство бесплотинных ГЭС, в которых используется кинетическая энергия движущейся массы воды (течение). Такие станции, мощностью до 10...25 кВт, не требуют больших капитальных затрат на строительство, экологичны и удобны в использовании при энергоснабжении потребителей небольшой мощности, расположенных на берегах рек, при наличии перепадов высот на небольших ручьях (рукавные ГЭС) и др. При наличии водных потоков перспективно также применение водных таранов для целей водоснабжения, а также использование водяных колес и турбин небольшой мощности для привода компрессоров тепловых насосов.

Описание работы гидроэлектростанций

Источником гидроэнергии является преобразованная энергия Солнца в виде запасенной потенциальной энергии воды, которая затем преобразуется в механическую работу и электроэнергию.

Действительно под воздействием солнечного излучения вода испаряется с поверхности озер, рек, морей и океанов. Пар поднимается в верхние слои атмосферы, образуя облака; затем он, конденсируясь, выпадает в виде дождя, пополняя запасы воды в водоемах.

Преобразование потенциальной энергии воды в электрическую происходит на гидроэлектростанции. Поддержание постоянного напора осуществляется с помощью платины, которая образует водохранилище, Служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость оборудования ГЭС. Вместе с тем удельная стоимость электроэнергии, генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с себестоимостью энергии, производимой другими источниками. Как правило, срок окупаемости малых ГЭС не превышает 10 лет.

Рис.1. Машинная станция с гидротурбиной

Для преобразования энергии воды в механическую работу используются гидротурбины (рис.1).

Различают активные и реактивные турбины.

В активной турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины, - водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД реальных турбин колеблется от 50 до 90 %. В гидротурбинах малой мощности КПД ниже.

Максимальное значение КПД, равно 100% . Оно может быть достигнуто, если струя после взаимодействия с лопатками будет двигаться вертикально вниз только под действием силы тяжести.

КПД активной гидротурбины может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй.

В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Френсиса вращение колеса осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90°. Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины.

Имеются и другие конструктивные решения реактивных гидротурбин, например пропеллерная турбина Каплана. Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за перепада давления.

ГЭС бывают самых различных мощностей – от 3 кВт до 12 ГВт. Малыми ГЭС (именуемыми также микро-ГЭС и сельские ГЭС) называются ГЭС, установленной мощностью менее 500 кВт. Сооружение их осуществляется обычно в качестве составной части комплекса, предусматривающего также развитие сельскохозяйственного производства, водоснабжение и регулирование стока.

Гидроэлектростанции и жизненная среда

Говоря о гидроэлектростанциях, нельзя не отметить, что никакие другие отдельно взятые инженерные сооружения не оказывают такого сильного воздействия на природу, как крупные водохранилища.

Водохранилище снабжает водой не только людей, но и весь растительный и животный мир, который активно реагирует на новые благоприятные условия. Это способствует появлению новых биологических сообществ, развитию которых прежде препятствовал недостаток воды (что особенно наглядно проявляется у небольших прудов, устраиваемых для развития рыбного хозяйства).

Однако при объективной оценке изменения экологических условий нельзя не учитывать некоторых отрицательных биохимических и лимнологических факторов.

Как известно, в стоячей воде водохранилищ кислородный обмен происходит гораздо медленнее, чем в водотоках (реках и ручьях). Попадая в такую воду, химические примеси могут создать в ней столь неблагоприятную стратиграфию (т.е. образовать устойчивые слои различного состава), что биологическая жизнь станет невозможной, погибнут рыбы и многие другие водные организмы. А при спуске такой отравленной воды в реку может наступить гибель рыбы во всем водотоке.

Опасны для водохранилища и водоросли, которые изменяют химический состав воды. Особенно вредны и экологически неблагоприятны процессы гниения в водоемах промышленных районов.

В целом можно считать, что водохранилища оказывают экологически благоприятное влияние на окружающую среду, а отрицательные факторы обусловлены в первую очередь сбросом промышленных отходов и (в меньшей степени) безответственным поведением весьма большого числа туристов и отдыхающих. Что же касается непосредственно технологического процесса выработки электроэнергии на гидростанциях, то с точки зрения экологии он совершенно безопасен. Производство работ по возведению гидроэнергетических объектов следует проектировать с минимальным ущербом природе.

При разработке стройгенпланов необходимо рационально выбирать карьеры, месторасположение дорог и т.п. К моменту завершения строительства должны быть проведены необходимые работы по рекультивации нарушения земель и озеленении территории.

По водохранилищу наиболее эффективным природоохранным мероприятием является инженерная защита. Например, строительство дамб обвалования уменьшает площадь затопления и сохраняет для хозяйственного использования земли, месторождения полезных ископаемых, уменьшает площадь мелководий и улучшает санитарные условия водохранилища, сохраняет природные естественные комплексы.

Если постройка дамб экономически не оправдана, то мелководья могут быть использованы для разведения птиц и для других хозяйственных нужд. При поддержании необходимых уровней воды мелководья могут быть использованы для рыбного хозяйства, как нерестилище и кормовая база.

Для предотвращения или уменьшения переработки берегов производят берегоукрепления. Предприятия, железные дороги, жилые и коммунально-бытовые постройки, памятники старины выносятся из зоны затопления.

Для обеспечения высокого качества воды необходима санитарная очистка ложа водохранилища до его затопления водой. С этой целью производят агротехнические мероприятия для уменьшения загрязненного поверхностного стока и строятся очистные сооружения.

Строительство больших плотин с электростанциями, как правило, способствует сохранению и обогащению природы. Искусственные озера позволяют комплексно использовать водные ресурсы. Вода не только приводит в действие турбины, но и орошает обширные прилегающие земли и тем самым обеспечивает развитие сельского хозяйства. Водохранилища смягчают резкие контрасты погоды и климата, помогают бороться с засухой, на их берегах отдыхают тысячи людей.

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.

А давайте-ка сегодня про малые ГЭС поговорим. Про те самые, которых уже почти не осталось в эксплуатации, про те, чьи остовы и полуразрушенные плотины встречаются в самых разных уголках нашей страны.

Каким образом они появились, для чего возводились и почему затем в массе своей канули в Лету, оставив после себя лишь живописные руины и немногочисленные черно-белые фото?

Чтобы разобраться нам придётся обратиться к истории развития электроэнергетики в России, и начнём мы с самого начала, когда зажглись первые лампочки царской России.

В конце 70-х — начале 80-х годов XIX века, с изобретением генераторов постоянного тока и электроламп, появились и ранние проекты точечной электрификации (а точнее освещения и иллюминации).

Как и любой инновационный проект, электричество стоило немалых денег, и появлялось прежде всего там, где эти деньги готовы были платить. Неудивительно, что первые лампы осветили Невский проспект, Литейный мост, Кремль, Зимний дворец и Эрмитаж, а вместе с ними неподалёку появились мини-электростанции, состоящие из нескольких котлов, пар которых вращал турбины динамо-машин.

А. П. Боголюбов. Иллюминация Кремля [по случаю коронации Александра III]. 1883 г.

К концу 80-х маломощные генераторы появляются на производствах, в преуспевающих магазинах, в домах обеспеченных жителей. В это же время открываются первые районные электростанции (Георгиевская, Городская, Университетская, Дворцовая), обслуживающие конкретные объекты или потребителей в радиусе километра. Электричество всё так же используется лишь для освещения, по проводам течёт постоянный ток, и ни о какой единой энергосистеме не идёт и речи.

Слева. Георгиевская электростанция на Б. Дмитровке. Ныне Новый Манеж. 1903 г. Фото http://pastvu.com/
Справа. Электростанция Жигулёвского пивоваренного завода в Самаре. 1898 г. Фото http://историческая-самара.рф/

Новый толчок распространению электричества дали появившиеся в 90-х годах XIX века первые массовые генераторы переменного тока. Их использование позволило снизить потери на передачу, а соответственно увеличить максимальную протяженность линии и вместе с тем нарастить мощность станций.

Также расширилась сфера применения электричества, промышленное оборудование стало массово переходить на электротягу, в ряде городов открылись трамвайные линии. До конца XIX века в Москве и Петербурге были запущены несколько электростанций переменного тока, мощность которых уже измерялась мегаваттами.

Слева. Прокладка кабеля на Софийской набережной. Фото http://so-l.ru/
Сверху. Трамвай на улице Москвы. Фото http://so-l.ru/
Снизу. Машинный зал электростанции на Раушской набережной. 1911 г. Фото http://pastvu.com/

В это же время появляются первые ГЭС. Зыряновский рудник на Алтае для собственных нужд запускает станцию мощностью 150 кВт, Охтинский пороховой завод под Петербургом строит ГЭС на 300 кВт. Гидростанция «Белый уголь», между Кисловодском и Ессентуками, несёт электрический свет на улицы прилегающих курортов, приводит в движение трамваи и питает насосы, поднимающие минеральные воды.

Слева. ГЭС на реке Подкумок. Открытка начала XX века.
Справа. ГЭС Охтинского порохового завода. 1912 г. Фото http://pastvu.com/

В течение первого десятилетия XX века процесс строительства городских электростанций охватывает регионы Российской империи, появляются электростанции в Курске, Ярославле, Чите, Владивостоке и многих других крупных городах. Растут мощности, модернизируются существующие электростанции, совершенствуются механизмы передачи электроэнергии, электричество находит всё новые и новые области применения.

К 1917 г. мощность всех 78 ГЭС Российской империи составляла около 17 МВт, из них две (Алавердинская и Гиндукушская) имели мощность свыше 1 МВт. Кроме того, в стране насчитывалось до двух тысяч мелких гидротурбинных установок, работавших на механические приводы, и около 40 тысяч мельниц с водяными колесами мощностью в среднем 10 л.с.

Слева. Генераторы Гиндукушской ГЭС — самой мощной гидростанции Российской империи. Ныне находится на территории Туркменистана. 1911 г. Фото С. М. Прокудина-Горского.
Справа. Водяное колесо небольшой мельницы в Абхазии

Но если ты был жителем села, то в твоей избе по-прежнему горела свеча и лучина, в хозяйстве господствовал ручной привод, а из средств механизации была разве что лошадь.

Третий этап развития электроэнергетики начался уже при Советской власти. Сразу после революции был разработан и принят план ГОЭЛРО (ГОсударственная ЭЛектрификация РОссии), по которому растущие потребности в электричестве со стороны набирающей обороты советской промышленности, должны были опережающими темпами обеспечиваться генерирующими мощностями.

Плакат А. Лемещенко «План ГОЭЛРО» (из триптиха). 1967 г. Фото RIA Novosti archive, image #763450 / RIA Novosti / CC-BY-SA 3.0, CC BY-SA 3.0 , https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17824956

Тут важно отметить, что процесс этот был вполне естественным, а не так, что при царе страна была с сохой, а потом пришёл Ленин, распедалил ситуацию и начал строить станции направо-налево. Авторами плана в большинстве были те же специалисты, которые при царе занимали соответствующие должности.

Так или иначе, план ГОЭЛРО предусматривал строительство в течение 10-15 лет 30 крупных электрических станций (20 ТЭС и 10 ГЭС) в различных районах страны от Урала до Кавказа, призванных создать энергетический каркас для обеспечения электричеством строящихся предприятий.

Волховская ГЭС — одна из первых ГЭС, построенных по плану ГОЭЛРО. Фото Wilson44691 - собственная работа , Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7055784

Но решать вопросы крестьянина со свечой и лучиной, осуществлять электрификацию сельского хозяйства предполагалось «на основе широкого использования местных энергоресурсов, в частности гидроэнергии малых рек». Так бы сказал Первый канал, если бы он существовал в те времена.

А на житейском уровне всё было куда проще – до 1954 года действовали серьёзные ограничения по подключению сельскохозяйственных районов к государственным энергосистемам, и в большинстве случаев единственным источником электроэнергии на селе были те самые малые ГЭС.

Как правило станции строились по достаточно слабым проектам, зачастую не учитывающим реальные гидрологические условия. Материалы были преимущественно местными, в ход шло буквально всё, что попадалось под руку, зачастую в ущерб качеству. Оборудование не было стандартизировано и изготавливалось местными заводами, и турбина, к примеру, вполне могла иметь деревянные лопатки.

ГЭС на реке Протве в с. Борисово Можайского района. Построена в 30-е годы в рамках плана ГОЭЛРО. Фото http://pastvu.com/

Немудрено, что после снятия запрета в 1954-м году большинство малых ГЭС были выведены из эксплуатации и разобраны, а построено их было немало. За период до 1941 года было запущено около 950 малых ГЭС средней мощностью 35 кВт, а в послевоенное время их количество увеличилось до максимальных 6614 в 1952-м году. Средняя мощность при этом возросла незначительно, до уровня 40 кВт.

Фото maxzhukov

Типичный пример станции довоенной волны – первая малая ГЭС Липецкой области, построенная в 1923 году у села Курапово. На станции работала всего лишь одна водяная турбина системы «Френсис», с лопатками из морёного дуба, спаренная с генератором мощностью 76 кВт. Станция проработала до 1953 года, когда неподалёку была открыта Троекуровская ГЭС мощностью 500 к Вт. Остатки плотины и коробку «машинного зала» и сейчас можно увидеть на Красивой Мече.

В начале 50-х годов XX века был взят курс на строительство более крупных, а соответственно более экономичных и надёжных, станций. Те, что побольше назывались сельскими ГЭС (мощность в среднем 440 кВт), те, что поменьше – межколхозными (около 300 кВт). Только в 1951-1953 гг. в разных районах страны было построено по сотне с небольшим тех и других. Одной из них была упомянутая выше Троекуровская ГЭС.

Временные решения сменил научный подход. Гидроэнергоресурсы местного значения и возможность их освоения были посчитаны, для проектирования малых станций была создана отдельная структура «Гипросельэлектро», а всесоюзным институтом гидромашин была разработана номенклатура турбин для небольших ГЭС, производством которой и занялись Щелковский завод и «Уралгидромаш» (г. Сысерть).

Но централизованное энергоснабжение не стояло на месте, к 70-м годам были введены в строй десятки крупных гидро- и теплоэлектростанций, дефицит энергоресурсов остался в прошлом, и строительство малых ГЭС в стране практически остановилось. Большая часть действующих малых ГЭС была заброшена из-за относительно высокой себестоимости вырабатываемой электроэнергии и трудностей эксплуатации. Именно их остовы мы и видим в глубинке по берегам небольших рек.

Фото victorborisov

Есть ли перспективы у малых ГЭС?

Безусловно есть, и прежде всего в труднодоступных районах, богатых энергоресурсами. Например, РусГидро в течение последних 20 лет ввело в эксплуатацию и реконструировало несколько десятков МГЭС, прежде всего этот каскады Дагестанских и Кабардино-Балкарских МГЭС.

Если же речь идёт о Центральном районе, то здесь всё несколько сложнее.

Минимальная мощность, начиная с которой имеет смысд эксплуатировать МГЭС, учитывая повсеместную доступность единой энергосистемы, находится на уровне 1 МВт. Чтобы обеспечить такие показатели, необходим напор, создать который на среднестатистической реке Центрального региона можно только возведением плотины и созданием водохранилища, что не всегда возможно.

Станции меньшей мощности, без большого водохранилища, нуждаются либо во включении в ЕЭС, либо в строительстве тепловой станции по соседству. Это связано с тем, что в определённые периоды вырабатываемая МГЭС мощность может падать до нуля. Например, в середине лета может критически сокращаться расход воды, а во время весеннего паводка уменьшаться до нуля напор за счёт подъема уровня воды в нижнем бьефе.

Есть, правда, и другой путь, по которому пошли на Ярополецкой ГЭС. Станцию восстановили в качестве памятника архитектуры и культурного наследия, при этом она не является действующей, а просто радует глаз.

Так или иначе, я за то, чтобы малые ГЭС жили. Чёрт бы с ним, с электричеством, ведь ГЭС – это просто красиво:-)

Фото muph

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.