Речная гидроветроэлектростанция (ГВЭС)
RIVER HYDRO WIND POWER PLANT (HWPP)

Изобретение относится к области энергетики возобновляемых источников энергии и может быть использовано для увеличения выработки гидрогенераторами речных гидроэлектростанций (ГЭС) электрической энергии.
В настоящее время в большой гидроэнергетике получают порядка 18,5% электроэнергии от общей ее выработки в стране, а общая установленная мощность ГЭС превышает 900 ГВт. Кроме того, в начале 1950-х годов общее количество малых и микро-ГЭС в СССР насчитывалось около 6500 единиц. Большинство таких ГЭС из-за низкой стоимости (2 коп. за 1 кВт-ч) электроэнергии были заброшены, а в настоящее время подлежат восстановлению.
В речных ГЭС энергия движущейся воды преобразуется в механическую энергию посредством гидротурбин, которые соединяют с электрическими генераторами, вырабатывающими электрическую энергию высокого качества со стабильным электрическим напряжением и со стандартной частотой электрического тока - 50 Гц.
Несмотря на то что речные ГЭС обладают рядом важных достоинств: работают на бесплатном и вечном «топливе» - речной воде, генерируя дешевую и стабильную (по напряжению и частоте) электроэнергию, им одновременно присущи и ряд недостатков, из которых наиболее фундаментальный и трудноустранимый - существенное (почти в 10 раз!) уменьшение мощности ГЭС в зимнее время, когда снег не тает и в реке нет требуемого количества воды для обеспечения работы всех гидрогенераторов. Характер этой зависимости наглядно представлен в монографии [Уделл Свен. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии. М.: Знание, 1980. стр. 120.]
Данный фундаментальный недостаток речных ГЭС следует из того, что их мощность Р прямо пропорциональна количеству воды, которая проходит через ее гидротурбины [Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990, стр. 177]:
P=ρQgH,
где ρ - плотность воды;
Q - объем воды, падающей на лопасти турбины;
g - ускорение силы тяжести;
Н - высота падения воды.
Как видно из приведенной формулы, энергетический потенциал рек наряду с высотой плотины Н непосредственно зависит от естественного кругооборота воды в их бассейне Q. Данный кругооборот состоит из следующих циклов: выпадение осадков - стекание вод - испарение. Объем этого кругооборота непосредственно связан с интенсивностью солнечной радиации, которая, что касается нашей страны, очень сильно зависит от времени года. Чем ближе к Северу расположена речка, тем меньше бывает в ней воды зимой и тем больше - в период половодья. Причем расход воды Q для северных рек в течение года может меняться почти на порядок. Наименьшее количество воды (межень) в наших реках приходится на период ноябрь - февраль, то есть в самое холодное время года, когда потребности в электрической энергии наибольшие.
По указанной причине, чтобы стабилизировать мощность ГЭС, вынуждены создавать запас воды, увеличивая высоту плотины Н, что существенно повышает капитальные затраты при строительстве ГЭС, а также увеличивает убытки от затопления территорий (земельных угодий) в пойме реки [Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. Энергетические проблемы человечества. М.: Мир, 1995, стр. 169].
Для устранения этого фундаментального недостатка речных ГЭС предлагается снабдить плотины этих ГЭС ветронасосными установками, которые, перекачивая воду из нижнего бьефа в верхний бьеф водохранилища, увеличивали бы объем воды, проходящей через существующие гидрогенераторы речной ГЭС, увеличивая годовую выработку электроэнергии примерно в два раза, причем без увеличения числа и мощности гидрогенераторов, а также без увеличения высоты плотины ГЭС.
Поиск аналога заявленному устройству, то есть известного средства того же назначения, не дал положительных результатов. Анализ выявленных технических решений: «Способ сопряжения крупных альтернативных электростанций (АлЭС) с речной гидроэлектростанций (ГЭС)». (патент LV 11494); «Ветровая энергетическая установка» (патент RU 2147079); «Ветроколесо» (патент RU 2164623); «Модульная гидроаккумулирующая электростанция» (патент на полезную модель RU 8059) и ряда других показал, что они прежде всего являются средствами другого назначения. Кроме того, эти технические решения отличаются от заявленной авторами «Речной ГВЭС» не только по названию, но и, самое главное, - по достигаемому техническому результату, поскольку ни одно из указанных технических решений не имеет в своем составе устройств для стабилизации быстроходности ветроколес ветродвигателей, что делает их бесполезными для решения поставленной задачи - повышения годовой выработки ГЭС примерно в два раза без увеличения числа и мощности гидрогенераторов и высоты ее плотины.
Заявленное устройство состоит из гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока речной воды и концентрацию потока и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся воды под напором воды в электрическую энергию стандартного качества. При этом происходит последовательное преобразование потенциальной и кинетической энергии потока воды сначала в механическую энергию с помощью гидравлических турбин, а затем - в электрическую с помощью электрических генераторов.
Для этого предлагается на плотине ГЭС установить ветронасосные установки для подъема речной воды из нижнего бьефа в верхний бьеф водохранилища ГЭС и создать, таким образом, за счет указанных ветронасосных установок в дополнение к естественному круговороту воды в природе искусственный кругооборот отработанной воды через речную плотину и гидравлические турбины ГЭС посредством электрической передачи с использованием генераторов постоянного тока, кабелей, управляющих блоков максимального и минимального напряжения, а также двигателей постоянного тока. Здесь необходимо подчеркнуть, что в данном случае электроэнергия, получаемая посредством ветродвигателей, предназначена только для привода центробежных насосов (для внешних потребителей она не предназначена), поэтому требования к ее качеству несопоставимо ниже по сравнению требованиями к качеству стандартной электроэнергии, вырабатываемой генераторами ГЭС для внешних потребителей.
Использование электрической передачи энергии от ветродвигателей до центробежных насосов позволяет максимально упростить ее устройство, по существу использовать только генераторы постоянного тока и электродвигатели, исключая выпрямители, инверторы, аккумуляторы и другую сложную электротехническую аппаратуру для получения переменного электрического тока со стандартной частотой 50 Гц. При этом отпадает необходимость решения ряда проблем, типичных для известных ветроэлектрических станций (ВЭС), среди которых наиболее сложными, при непрерывном изменении скорости ветра, являются синхронизация совместной работы ветроустановок, а также вопросы накопления и сохранения полученной энергии.
В заявленном устройстве одновременно создаются благоприятные условия для обеспечения наибольшего коэффициента преобразования кинетической энергии ветра в механическую работу. Применение постоянного тока позволить оперативно менять (при изменении скорости ветра) за счет применения управляющих блоков максимального и минимального напряжения нагрузку на ветродвигатель и, тем самым, окружную скорость его лопастей.
Применение насосной станции с множеством центробежных насосов и двигателями постоянного тока для подъема воды из нижнего в верхний бьеф позволяет стабилизировать быстроходность (отношение скорости конца лопасти ветроколеса к скорости ветра) ротора ветродвигателя на оптимальном уровне при переменной скорости и направлении ветра При этом появится возможность в разы повысить КПД ветроустановки и ГВЭС в целом [Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990, стр. 214].
Таким образом, заявитель, используя системный подход необходимые технические устройства, разработал новый источник возобновляемой энергии - речную гидроветроэлектрическую станцию (ГВЭС) - для выработки электроэнергии стандартного качества, которая включает гидротехнические сооружения: плотину, затворы, обеспечивающие необходимую концентрацию потока воды и создание напора, гидротурбины, гидрогенераторы переменного тока частотой 50 Гц, преобразующие энергию движущейся воды в электрическую энергию, ветродвигатели и центробежные насосы для подъема воды из нижнего бьефа в верхний бьеф, обеспечивающие дополнительный кругооборот речной воды через плотину, а для передачи механической энергии от ветродвигателей к центробежным насосам - электрическую передачу с использованием постоянного тока, управляющие блоки максимального и минимального напряжения для регулирования количества работающих насосов, обеспечивая при этом максимальный коэффициент использования энергии ветра за счет поддержания наперед заданного оптимального значения коэффициента быстроходности ветроколес ветродвигателей и за счет максимального коэффициента полезного действия центробежных насосов при переменной скорости ветра.
Изобретение на рисунке иллюстрируется следующим примером устройства гидроветроэлетростанции (ГВЭС).
Заявленное устройство состоит из речной плотны 1, разделяющей водный поток реки и водохранилище на верхний 2 и нижний 3 бьефы, напорного водовода с затвором 4, гидравлической турбины 5, электрического генератора 6, водоподъемных агрегатов, каждый из которых состоит из центробежного насоса 7, оснащенного электрическим двигателем 8. Источником механической энергии является ветродвигатель 9, который оснащен электрической передачей, включающей электрогенератор постоянного тока 10, который через электрическую сеть 11 и управляющие блоки максимального и минимального напряжения 12 подается к каждому электродвигателю 8 центробежных насосов 7. Эти насосы посредством общего водовода 13 поднимают воду из нижнего 3 в верхний 2 бьеф через плотину 1 ГВЭС.
Устройство работает следующим образом. Вода из верхнего бьефа 2, проходя под давлением через плотину 1 реки по напорному водоводу 4, поступает в гидравлическую турбину 5, вращая ее рабочее колесо 5, сливается в нижний бьеф 3. В гидравлической турбине 5 кинетическая энергия воды преобразуется в механическую энергию, которая через вал передается к электрическому генератору 6, в котором эта механическая энергия преобразуется в электрическую энергию переменного тока и затем подается потребителям со стандартной частотой 50 Гц.
Одновременно воду, прошедшую гидравлическую турбину 5, из нижнего бьефа 3 центробежные насосы 7, работающие от электрических двигателей постоянного тока 8, забирают и перекачивают по трубопроводу 13 в верхний бьеф 2, откуда она снова поступает в гидравлическую турбину 5. Далее цикл повторяется.
Число работающих центробежных насосов 7 непосредственно зависит от скорости ветра. При увеличении скорости ветра число оборотов ветродвигателя 9 и связанного с ним посредством вала электрического генератора 10 увеличивается, напряжение в электрической сети 11 возрастает. При достижении заданного напряжения один из управляющих блоков 12 включает первый, а затем - очередной электродвигатель 8 и центробежный насос 7. Нагрузка на электрогенератор 10 увеличивается, при этом одновременно снижается число оборотов ветродвигателя 9 до требуемого значения, определяемого по условию его быстроходности. Если скорость ветра продолжает увеличиваться, таким же путем включается следующий насос 7, стабилизируя быстроходность ветроколеса ветродвигателя 9 на оптимальном уровне.
При снижении скорости ветра число оборотов ветродвигателя 9 и электрогенератора 10 уменьшается, напряжение в сети 11 падает, при этом в одном из блоков 12 вырабатывается сигнал на отключение подсоединенного к нему электродвигателя 8. Центробежный насос 7, вращаемый этим электродвигателем, останавливается. Нагрузка на электрический генератор 10 уменьшается, число оборотов ветродвигателя 9 увеличивается, обеспечивая наперед заданное оптимальное значение (по быстроходности) число оборотов ветроколеса ветродвигателя и наперед заданное напряжение электрического тока в электросети 11, устанавливая требуемое число оборотов, при котором достигается наибольший коэффициент полезного действия работающих центробежных насосов 7.
Благодаря этому данное техническое решение позволяет максимально использовать потенциал энергии ветра при переменной его скорости; увеличить существенно (в несколько раз) выработку электроэнергии в период наименьшего речного водостока (зимой) за счет энергии ветра, не увеличивая высоту уже существующих речных плотин и не создавая дополнительно никаких модульных гидроаккумулирующих станций (ГАЭС). Потенциальные возможности использования данного технического решения, включая и экономические показатели, определяются техническими возможностями и ценой ветродвигателей, мощность которых в настоящее время уже достигает 7 МВт.
При использовании предлагаемой ГВЭС устраняется также фундаментальный недостаток известных ветроэлектростанций (ВЭС), связанный со сложностью устройства и низким их КПД. Указанные недостатки являются следствием постоянно меняющейся силы и направления ветра, а также отсутствием мощных электрических аккумуляторов. Применяемые в настоящее время электрические аккумуляторы (например серебряно-цинковые) энергии ненадежны, имеют незначительный срок службы и слишком дороги. В заявленном устройстве в качестве аккумуляторов энергии используется уже существующее водохранилище речной ГЭС. При этом становятся излишними малонадежные и дорогостоящие известные классические ВЭС, стоимость выработки электроэнергии которых, с учетом капитальных затрат, превышает аналогичные затраты дизельных, тепловых и атомных электростанций, что является основной причиной их слабого распространения в нашей стране.
Осуществление заявленного изобретения на базе уже существующих речных ГЭС позволит увеличить их производительность примерно в 10 раз в зимнее время, в период, когда потребность в электрической энергии наибольшая, а в течение года увеличить выработку электрической энергии почти в два раза. Так, например, на гидроэлектрических станциях Волжско-Камский каскада, в состав которого входит в настоящее время 12 гидростанций общей мощностью 10 млн кВт, ежегодная выработка электроэнергии составляет около 50 млрд кВт-ч в год [Китаев Е.В. Гревцев Н.Ф. Курс общей электротехники. М.: Высшая школа, 1965, стр. 540]. При реализации заявленного устройства потенциальные возможности это каскада возрастут до (10 млн × 365 × 24) 87,6 млрд кВт-ч электроэнергии в год, что примерно в два (точно - в 1,752) раза больше, чем настоящее время. При этом экономический эффект от применения данного технического решения, при современной стоимости электроэнергии 3,53 руб. за 1 кВт-ч, составит (87,6-50) млрд × 3,53 руб. = 132,728 млрд рублей в год.
Кроме того, в России свыше 2,5 млн малых рек. Переоборудование ГЭС в ГВЭС, объединение потенциала малых рек и потенциала ветра уже в ближайшее время, а тем более в перспективе, может решить энергетическую проблему огромного числа небольших городов и поселков за счет бесплатных и эффективных возобновляемых ресурсов.
В масштабе всей нашей страны, России, эффект от применения заявленного устройства составит около одного триллиона рублей в год.