Малая гидроэлектростанция
SMALL HYDRO POWER PLANT

Изобретение относится к области энергетики, а именно к области возобновляемых источников энергии в гидроэнергетике, в частности к низконапорным и свободнопоточным гидроэлектростанциям, и может быть использовано для энергоснабжения поселений и предприятий малого и среднего бизнеса на берегах рек.
Проблемы автономного энергоснабжения и энергоэффективности экономики возможно, по меньшей мере, частично решать использованием местного гидропотенциала путем применения малых гидроэнергетических установок на местных водотоках. Площадь децентрализованного энергоснабжения за счет завозимого топлива или вырубаемого леса в нашей стране превышает 70% ее территории. В местах изолированных поселений имеются естественные и искусственные водные потоки, так, в частности, в Алтайском крае стекает в Обь более 20 тыс. неиспользуемых в энергетике водотоков суммарной протяженностью около 60 тыс. км и общим объемом около 43 куб. км воды за год. На местных водотоках можно установить гидроэнергетическую установку микроГЭС мощностью до 100 кВт практически повсеместно или малую ГЭС мощностью до 30 МВт. Во многих развитых странах (Австрия, Канада, США, Швеция, Япония) освоен гидропотенциал крупных рек и тысячами строятся малые ГЭС. В КНР ежегодно вводятся малые ГЭС суммарной мощностью до 300 МВт с увеличением до 600 МВт в перспективе (Сибикин Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. М.: КНОРУС, 2012. - 240 с., с. 22, 211). В нашей стране вклад малой энергетики не превышает 1%. Достоинства микрогидроэнергетических установок: использование местных возобновляемых ресурсов, близость к потребителям и обеспечение энергоснабжения поселений, предприятий малого и среднего бизнеса, исключение затрат на закуп и завоз топлива, на строительство питающей линии и ее подключение к сети централизованного электроснабжения, на оплату за потребленную энергию по тарифам энергетических сетей; исключение экологического ущерба от сжигания замещаемого топлива и от водохранилищ крупных ГЭС; независимость от погодных условий, равномерность выработки энергии, значительная плотность энергии гидропотока по сравнению с естественными потоками ветровой и солнечной энергии на поверхности Земли, обеспечение быстрого возврата вложенных средств в течение до 3-5 лет. При планировании применения микрогидроэнергетических установок учитывают: условия эксплуатации, факторы местной внешней среды, неравномерность водотока и его значительное снижение в зимний и летний меженный периоды, обеспечение требований к оборудованию, перепады температур, повышенную влажность и коррозионно-активную среду; максимальное удовлетворение требований потребителя - технических, эксплуатационных, безопасности и экологичности; приемлемую стоимость, материалоемкость, трудоемкость монтажа-демонтажа, обслуживания, ремонта, ликвидации аварийных режимов; ресурс работы (10-30 лет) и наработку на отказ (1 год), возможность несанкционированного воздействия, льдообразования и др.
Известно (RU, заявка на выдачу патента на изобретение 2013128048, опубл. 17.12.2013) устройство беспаузной турельной приливной электростанции (БТПЭС), состоящее из стального или ж/бетонного, в виде параллелепипеда наплавного энергоблока (НЭБ), с продольно расположенным конусообразным прямоугольного сечения водоводом внутри. В турбинной камере, установленной в средней части этого водовода, на вертикальную ось посажена обладающая положительной плавучестью ортогональная турбина (ОТП), верхний торец ее полового вала, находясь в сцеплении с наставным полым валом, способен передавать крутящий момент через короткую трансмиссию к генератору; находясь в струе рабочего потока, образованного при последовательно соединенных водоводах НЭБ и турельного устройства (ТУ), установленного на оси между проливом и водоводом отсеченного плотиной бассейна, способного под действием сменяющихся течений обеспечивать беспрерывную работу БТПЭС, поворотом раструба навстречу приливу или отливу, а при их остановках, при полной воде в проливе, открывать водовод в сторону опорожненного бассейна, и, наоборот, при малой воде в проливе открывать водовод со стороны бассейна.
Основным недостатком известной установки следует признать низкую область применения - только приливные электростанции.
Известна (RU, патент 2391554, опубл. 10.06.2010) гидроэнергетическая установка, содержащая низконапорную ортогональную турбину, ротор турбины с лопастями крыловидного профиля, установленный поперек проточной камеры, в камере выполнен, по меньшей мере, один поперечный выступ, примыкающий с зазором к ометаемой лопастями поверхности, боковая грань выступа, обращенная к подводящему отверстию проточной камеры, выполнена вогнутой и с образованием острого угла, проточная камера в перпендикулярном оси ротора сечении выполнена с соблюдением центральной симметрии относительно оси ротора, в проточной камере перед поперечным выступом установлен, по меньшей мере, один струенаправляющий элемент, на роторе смонтирован самоустанавливающийся в потоке среды обтекатель, лопасти выполнены прямолинейными с постоянным по длине лопасти крыловидным профилем и закреплены на роторе параллельно его оси, лопасти закреплены на роторе с использованием дисков или кронштейнов обтекаемой формы, торцы лопастей фиксированы дисками или кольцами.
Недостаток известного технического решения состоит в следующем: выполнение турбины одноярусной с тремя и более прямолинейными лопастями крыловидного профиля увеличивает степень затенения, снижает энергетические характеристики - быстроходность и КПД турбины по сравнению с двух- или однолопастной турбиной, что вызывает необходимость применения более тихоходного электрогенератора или иной рабочей машины и увеличивает капитальные затраты на энергоустановку, выполнение вогнутого выступа с острой гранью вызывает поперечные струи, завихрения набегающего потока и снижение КПД.
Ближайшим аналогом разработанного технического решения можно признать (SU, авторское свидетельство 853145, опубл. 21.08.1981) гидроаккумулирующую электростанцию, содержащую верхний головной бассейн аккумулирования, соединенный с руслом реки и подключенный напорный водоводом к гидротурбине, расположенный в турбинной камере, и регулирующий бассейн, при этом гидротурбина подключена к потребляющей электросети.
Недостатком известной гидроаккумулирующей электростанции следует признать периодичность ее работы.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного устройства, состоит в разработке конструкции малой гидроэлектростанции нового типа.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанной малой гидроэлектростанции, состоит в постоянной выработке электрической энергии при рабочих расходах в турбинной камере, превышающей расход притока (реки).
Для достижения указанного технического результата предложено использовать малую гидроэлектростанцию разработанной конструкции. Разработанная малая гидроэлектростанция содержит верхний головной бассейн аккумулирования, соединенный с руслом реки и подключенный напорным водоводом через затвор верхнего контура и ортогональную гидротурбину, расположенной в турбинной камере, к входу регулирующего бассейна, причем регулирующий бассейн через отсасывающую трубу, турбинную камеру с ортогональной гидротурбиной и затвор нижнего контура подключен к руслу реки ниже входа в верхний головной бассейн аккумулирования, ортогональная гидротурбина подключена к потребляющей электросети, затворы верхнего и нижнего контура соединены с механизмом управления затворами, при этом верхний головной бассейн и регулирующий бассейн представляют собой сообщающиеся сосуды.
Преимущественно объем верхнего головного бассейна аккумулирования вдвое меньше объема регулирующего бассейна.
Желательно, чтобы механизм управления затворами выполнен с возможностью их синхронной работы.
Конструкция схематично приведена на рисунке, при этом использованы следующие обозначения: верхний головной бассейн 1 аккумулирования, верхний контур 2 сработки, регулирующий бассейн 3, затвор 4 верхнего контура 2, ортогональная гидротурбина 5, нижний контур 6 сработки, затвор 7 нижнего контура 6, русло реки 8, механизм 9 управления затворами 4 и 7.
Любой тип и вид известных на момент создания рассматриваемой конструкции гидроэлектростанций может работать только на расходах, не превышающих приток реки. Если это условие не выполняется, то мощность гидроэлектростанции со временем начинает снижаться из-за недостатка объема воды в водохранилище и, как следствие, возникает недостаток рабочего напора и снижение энергетического потенциала гидроэлектростанции. Для сохранения объемов выработки планирования расходов при малом водопотоке реки необходимо строить аккумулирующие водохранилища со значительными энергетическими, материальными, финансовыми и другими затратами на строительство и обслуживание. Это нецелесообразно при небольших объемах потребления электроэнергии, как в случае малых гидроэлектростанций.
Отличительной особенностью малых гидроэлектростанций с обратимой (ортогональной) турбиной 5 от других типов гидроэлектростанций является то, что общий рабочий напор срабатывается через промежуточный регулирующий бассейн двойного действия или обратимый регулирующий бассейн 3. Принцип их работы следующий: промежуточный регулирующий бассейн 3 двойного действия малых гидроэлектростанций аналогичен работе сообщающихся сосудов - внутреннего бассейна приливной гидроэлектростанции, бассейна суточного регулирования или верхнего бассейна гидроаккумулирующей электростанции, где через верхний контур 2 вода под напором стекает из верхнего головного бассейна 1 в обратимый регулирующий бассейн 3, вращая ортогональную гидротурбину 5. В результате этого происходит выработка электроэнергии. По окончанию режима сработки верхнего контура 2 механизмом 9 верхний затвор 4 опускают. Работа верхнего контура 2 прекращается, в верхнем головном бассейне 1 начинается процесс аккумулирования воды за счет расхода реки. При закрытии затвора верхнего контура 4 механизмом 9 открывают затвор 7 нижнего контура 6. При этом вода вытекает из регулирующего бассейна 3 через ортогональную гидротурбину 5, в результате чего возобновляется выработка электроэнергии, а вода возвращается в русло 8 реки, компенсируя процесс аккумулирования воды в верхнем бассейне 1.
Для обеспечения длительной работы малой гидроэлектростанции необходимо, чтобы объем верхнего головного бассейна аккумулирования был, по меньшей мере, вдвое меньше объема регулирующего бассейна. При этом объем верхнего головного бассейна аккумулирования должен обеспечить работу малой гидроэлектростанции в течение, по меньшей мере, 12 часов.
Затворы, применяемые на малых гидроэлектростанциях, не должны иметь перекосов и ненормальных деформаций при работе под напором. Во время эксплуатации движение затвора должно быть беспрепятственное и плавное, а посадка на порог правильной. Ходовые и опорные части затвора должны работать хорошо, и фильтрация в закрытом положении должна быть наименьшей. Подъемный механизм затворов ГЭС должен иметь тормозные приспособления для остановки затвора и указатели положения. Защитные заграждения должны быть устроены так, чтобы в случае надобности можно было их снять и произвести осмотр или ремонт. Трущиеся и вращающиеся части затворов, тяговые устройства (цепи Галля и тросы) нужно регулярно смазывать.