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 гидроэлектростанции (ГЭС) 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.