Гидроэнергетика

Малые ГЭС

Человек еще в глубокой древности обратил внимание на реки как на доступный источник энергии. Для использования этой энергии люди научились строить водяные колеса, которые вращала вода. Этими колесами приводились в движение мельничные жернова и другие установки. Водяная мельница является ярким примером древнейшей гидроэнергетической установки, сохранившейся во многих странах до нашего времени почти в первозданном виде. До изобретения паровой машины энергия воды была основной двигательной силой на производстве. По мере совершенствования водяных колес увеличивалась мощность гидравлических установок, приводящих в движение станки. В первой половине XIX века была изобретена гидротурбина, открывшая новые возможности по использованию гидроэнергоресурсов. С изобретением электрической машины и способа передачи электроэнергии на значительные расстояния началось освоение водной энергии путем преобразования ее в электрическую энергию на гидроэлектростанциях (ГЭС).

Малые и микро-ГЭС – объекты малой гидроэнергетики. Эта часть энергопроизводства занимается использованием энергии водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт). Малая энергетика получила развитие в мире в последние десятилетия, в основном, из-за стремления избежать экологического ущерба, наносимого водохранилищами крупных ГЭС, изза возможности обеспечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных районах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств. Строительство МГЭС имеет также широкие перспективы развития в различных регионах мира с трансграничными речными бассейнами.

В настоящее время нет общепринятого для всех стран понятия малой ГЭС. Однако во многих странах в качестве основной характеристики такой ГЭС принята ее установленная мощность. К малым, как правило, относятся ГЭС мощностью до 30 МВт. Малая гидроэнергетика свободна от многих недостатков крупных ГЭС и признана одним из наиболее экономичных и экологически безопасных способов получения электроэнергии, особенно при использовании небольших водотоков. В малых, микро- или нано-ГЭС сочетаются преимущества большой ГЭС с одной стороны и возможность децентрализованной подачи энергии с другой стороны.

Особенности малых ГЭС

В последние годы широко распространена практика установки малых гидроэлектростанций. Электростанция подобного типа представляет собой установку, все виды оборудования которого являются гидроэлектрическими устройствами. В зависимости от мощностей установок, они градуируются на мини-ГЭС с мощностью, не превышающей 10 МВт, микроГЭС с мощностью, не превышающей 0,1 МВт, и малые гидроэлектростанции с мощностью от 10 до 30 МВт. Схема устройства гидроэлектростанции приведена на рис. 2.1.

Схема устройства гидроэлектростанции
Рис. 2.1. Схема устройства гидроэлектростанции: 1 – водохранилище; 2 – затвор; 3 – трансформаторная подстанция с распределительным устройством; 4 – гидрогенератор; 5 – гидравлическая турбина

Гидроагрегат малой гидроэлектростанции состоит из энергоблока, водозаборной установки и элементов управления. По виду гидроресурсов, которые используются при работе малых ГЭС, их можно подразделить на:

  • станции руслового или приплотинного типа, имеющие небольшие по объёму водохранилища;
  • мини-станции стационарного характера, в работе которых используется энергия свободного потока рек;
  • гидроэлектростанции, работающие с использованием энергии существующих перепадов уровня воды.

Турбины для гидроагрегатов малых гидроэлектростанций существуют:

  • осевого типа;
  • радиально-осевого исполнения;
  • ковшовой конструкции;
  • с поворотно-лопастными устройствами.

Турбины применяют в зависимости от напора воды, используемого гидроэлектростанцией. Так, турбины ковшового и радиально-осевого действия разработаны и применяются для высоконапорных мини-станций. Турбины с поворотно-лопастными и радиально-осевыми устройствами применяют на средненапорных ГЭС. На низконапорных станциях малой мощности устанавливают турбины поворотно-лопастного действия.

Принцип действия всех видов турбин одинаков, под напором поступающей на лопасти воды, они осуществляют вращательные движения. Мощность всех гидроэлектрических мини-станций зависит от напора воды и её расхода, от КПД установленных генераторов и турбин.

Выбирая ГЭС малой мощности необходимо учитывать, что всё оборудование должно быть адаптировано для конкретных условий, соответствовать нуждам и назначению объекта и отвечать определённым аспектам. Всё оборудование должно быть оснащено автоматическими системами управления и контроля работы с возможностью перехода на ручное управление в случаях аварийных ситуаций и внезапного отключения электроэнергии. Малые ГЭС должны быть оборудованы надёжными системами защиты и безопасности.

Преимущества и недостатки малых ГЭС

Одним из основных достоинств объектов малой гидроэнергетики является экологическая безопасность. В процессе их сооружения и последующей эксплуатации вредных воздействий на свойства и качество воды нет. Водоемы можно использовать и для рыбохозяйственной деятельности, и как источники водоснабжения населения. Однако и помимо этого у микро- и малых ГЭС немало достоинств. Современные станции просты в конструкции и полностью автоматизированы. Вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению, причем станции могут работать как в автономном режиме, так и в составе электросети. Объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.

При строительстве и эксплуатации МГЭС сохраняется природный ландшафт, практически отсутствует нагрузка на экосистему. К преимуществам малой гидроэнергетики, по сравнению с электростанциями на ископаемом топливе, можно также отнести: низкую себестоимость электроэнергии и эксплуатационные затраты, относительно недорогую замену оборудования, более длительный срок службы ГЭС (40–50 лет), комплексное использование водных ресурсов (электроэнергетика, водоснабжение, мелиорация, охрана вод, рыбное хозяйство).

Многие из малых ГЭС не всегда обеспечивают гарантированную выработку энергии, являясь сезонными электростанциями. Зимой их энергоотдача резко падает, снежный покров и ледовые явления (лед и шуга) так же, как и летнее маловодье и пересыхание рек могут вообще приостановить их работу. Сезонность малых ГЭС требует дублирующих источников энергии, большое их количество может привести к потере надежности энергоснабжения. Поэтому во многих районах мощность малых ГЭС рассматривается не в качестве основной, а в качестве дублирующей.

У водохранилищ малых ГЭС, особенно горных и предгорных районов, очень остро стоит проблема их заиления и связанная с этим проблема подъема уровня воды, затоплений и подтоплений, снижения гидроэнергетического потенциала рек и выработки электроэнергии.

Строительство и реконструкция малых ГЭС позволит не только получить экологически чистую электроэнергию, но и обеспечить электричеством энергодефицитные районы, где отсутствует централизованное электроснабжение. Развитие малой гидроэнергетики способствует децентрализации общей энергетической системы, что позволяет стабильно обеспечивать труднодоступные регионы электричеством. Энергия, вырабатываемая малыми ГЭС, используется ближайшими потребителями. При этом снижаются траты на ее транспортировку, и повышается надежность энергоснабжения.

Регионы развития и технологические ограничения

Малая гидроэнергетика является одним из наиболее понятных для инвесторов направлений развития возобновляемых источников энергии. Развитие малой гидроэнергетики сейчас перспективно в районах с высокой плотностью гидроэнергетических ресурсов, особенно в регионах отсутствия централизованного электроснабжения и дефицита мощностей (рис. 2.2).

Гидроэнергетические ресурсы регионов Российской Федерации
Рис. 2.2. Гидроэнергетические ресурсы регионов Российской Федерации

Наиболее перспективными регионами Российской Федерации для развития малой гидроэнергетики являются Республики Северного Кавказа: Дагестан, Чечня, Ингушетия, Карачаево-Черкессия, КабардиноБалкария, Северная Осетия, Адыгея, а также Ставропольский и Краснодарский край, Карелия, Мурманская область, Южная Сибирь, Прибайкалье и регионы Дальнего Востока.