Перспективы использования микроГЭС в удаленных районах Севера

УДК 620.9

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИКРОГЭС В УДАЛЕННЫХ РАЙОНАХ СЕВЕРА

В.А. Минин, О. Е. Коновалова, Е.А. Иванова

Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН

Аннотация

Дана гидрографическая и гидрологическая характеристика малых и средних рек Кольского п-ова. Рассмотрены преимущества и предпосылки строительства микроГЭС для удаленных потребителей региона. Приведены их технические и стоимостные показатели. Ключевые слова:

гидроэнергетические ресурсы, современные отечественные и зарубежные микроГЭС.

Мурманская область богата

гидроэнергетическими ресурсами. Здесь насчитывается более 107 тыс. озер с общей площадью зеркала 8195 км2, 10 водохранилищ и около 21 тыс. рек общей протяженностью 60485 км . Большинство рек (19597) имеют длину менее 10 км и относятся к разряду малых. Они составляют 95.1% от общего числа водотоков, а их суммарная длина 61.2% от общей длины всех рек. Только 15 рек Кольского п-ова имеют протяженность более 100 км. Их суммарная длина составляет 4% от общей длины водотоков. Рек, имеющих протяженность более 200 км, в области только 4 - Иоканьга (202 км), Стрельна (213 км), Варзуга (254 км) и самая длинная река Поной (426 км).

Реки Кольского п-ова относятся к бассейнам Баренцева и Белого морей. Водораздел проходит с запада на восток - от государственной границы с Финляндией к горлу Белого моря через Сальные, Хибинские, Ловозерские тундры и горную гряду Кейвы. Главные реки текут на север и на юг, в широтном направлении протекает лишь р. Поной и частично Иоканьга.

Население Мурманской области рассредоточено по территории неравномерно. Основная масса проживает в городах и поселках городского типа, вблизи железной дороги. Но в то же время, согласно последней переписи населения (2010 г.), в области насчитывается 112 сельских населенных пунктов, в 104 из них число жителей не превышает 1 тыс. чел., а в некоторых не доходит даже до сотни человек. Значительная часть этих поселков находится на побережье Белого и Баренцева морей, часть располагается в центре полуострова в Ловозерском и Кандалакшском районах. Все они входят в зоны децентрализованного электроснабжения. В табл. 1 приведена численность постоянно проживающего населения в некоторых из таких поселений.

Электроснабжение большинства этих

населенных пунктов осуществляется от

дизельных электро-

станций, а теплоснабжение - от котельных. Постоянный рост цен на топливо и значительная удаленность от железной дороги приводят к снижению рентабельности энергетических установок и повышению себес-

тоимости электрической и тепловой энергии. Поэтому малая гидроэнергетика для таких поселков, куда подача электроэнергии по ЛЭП экономически невыгодна из-за малочисленности населения и низкой потребляемой мощности, рассматривается как альтернативный источник энергии, способный если не полностью снять, то в значительной степени уменьшить проблему транспортировки дизельного топлива.

Потенциальными заказчиками малых и особенно микроГЭС могут стать удаленные поселки, геологические станции, метеостанции, объекты специального назначения, частные фермерские хозяйства, рыборазводные предприятия, туристические базы и т.д.

Таблица 1

Численность населения некоторых малых поселений Мурманской области

Название населенного пункта Численность населения, чел. Административный район

п.г.т. Умба 5532 Терский

с. Оленица 27

с. Варзуга 363

н.п. Маяк Никодимский 3

с. Кузомень 84

Окончание таблицы 1

с. Кашкаранцы 79 Терский

с. Тетрино 18

с. Чаваньга 87

с. Пялица 14

с. Чапома 81

с. Ловозеро 2828 Ловозерский

п.г.т. Ревда 8186

с. Краснощелье 491

с. Каневка 94

с. Сосновка 58

г. Островной 2038 ЗАТО Островной

н.п. Лумбовка 39

н.п. Корабельное 12

н.п. Святой Нос 4

н.п. Мыс Черный 14

н.п. Маяк Городецкий 16

н.п. Маяк Терско-Орловский 5

н.п. Ёнский 1700 Ковдорский

с. Ёна 400

н.п. Риколатва 300

н.п. Куропта 100

н.п. Лейпи 400

Многие реки Кольского п-ова порожисты. Встречаются водопады. Очень развита гидрографическая сеть. Множество болот и озер замкнуто и соединено протоками в огромные системы. Благодаря своей доступности реки Кольского п-ова часто посещаются туристами. Особым успехом среди иностранных туристов пользуются рыболовно-охотничьи базы, расположенные на реках бассейна Баренцева моря (реки Рында, Харловка, Восточная Лица), Терском берегу (реки Кица, Хлебная, Индель, Умба) и бассейне р. Поной (реки Ача и Пача).

Гидрографические и гидрологические характеристики вышеперечисленных рек бассейна Белого и Баренцева моря, а также их потенциальная мощность приведены в табл. 2 и 3.

Стоимость гидроэнергетического оборудования в России колеблется от 300 до 1200 $/кВт. На импортное оборудование действует таможенная пошлина. Поэтому его стоимость выше -500-2000 $/кВт, а для низконапорных микроГЭС - 1-5 тыс. $/кВт.

Использование малых и микроГЭС для обеспечения электроэнергией отдаленных населенных пунктов Мурманской области значительно дешевле и выгоднее, чем строительство линий электропередач или эксплуатация дизельных установок. Малые и микроГЭС в настоящее время могут быть рентабельными за счет упрощения схемы их управления и работы в автоматическом режиме без обслуживающего персонала.

Среди микроГЭС особого внимания заслуживают погружные микроГЭС круглогодичного действия. Такие ГЭС разработаны, например, в межфакультетской лаборатории Красноярского государственного технического университета (КГТУ). Они используют кинетическую энергию водного потока. Стоимость электроэнергии, выработанной такой станцией, в 5-8 раз ниже стоимости электроэнергии дизельных электростанций, окупаемость такой ГЭС составит 1.2-1.8 года. При серийном производстве и минимизации всех издержек рыночная стоимость микроГЭС мощностью 5 кВт, по мнению разработчиков, может составить 650-700 тыс. руб. Наплавная свободнопоточная микроГЭС устанавливается на любых плавательных средствах и использоваться в летнее время геологическими партиями, туристическими группами и другими потребителями. Эта ГЭС может быть установлена и стационарно на дне реки на якорях. Свободнопоточная микроГЭС работает параллельно с дизельной станцией, сокращая расход дорогостоящего топлива. Отсутствие земляных и строительных работ является большим ее преимуществом.

Таблица 2

Г идрографические характеристики и потенциальная мощность некоторых малых и средних рек бассейна Баренцева моря, Белого моря и р. Поной [1-3]

Река Начало реки, бассейн Длина реки, км Падение реки, м Уклон Реки, % Потенциальная мощность, МВт

Рында оз. б/н., бассейн Баренцева моря 97.6 285.0 2.9 24.8

Харловка оз. б/н., бассейн Баренцева моря 126.0 260.0 2.1 2.2 45.6

Восточная Лица бассейн Баренцева моря 118.3 290.0 2.4 2.4 44.8

Индель оз. Индель, бассейн р. Пана - притока р. Варзуга 23.4 37.2 1.6 2.5

Хлебная между бассейнами рек Умба и Варзуга 28.7 111.0 3.9 2.3

Умба оз. Умбозеро, бассейн Белого моря 124.8 151.6 1.2 79.8

Кица бассейн оз. Умбозеро - р. Умба 36.8 54.3 1.5 0.5

Ача бассейн р. Поной 79.5 131.2 1.6 6.7

Пача бассейн р. Поной 26.1 - - -

Таблица 3

Гидрологические характеристики малых и средних рек бассейна Баренцева,

Белого морей и р. Поной

Река Пост/ бассейн Площадь водосбора, км2 Среднегодовой Годовой объем стока, млн м3

модуль стока, л/с км2 расход воды, м3/с

Рында ст. Рында, 4.0 км от устья 1010 18.3 18.5 583

Харловка ст. Харловка, 2.0 км от устья 1990 16.3 32.5 1025

Восточная Лица с. Восточная Лица, 3.0 км от устья 1870 16.1 30.2 952

Индель бассейн р. Пана - притока р. Варзуга 874 9.0 7.87 248,2

Хлебная между басс. р. Умба и р. Варзуга 261 11.5 3.0 94,6

Умба пор. Паялка, 3.7 км от устья 6470 12.5 81.0 2552

Кица бассейн оз. Умбозеро - р. Умба 277 11.5 3.18 100,3

Ача бассейн р. Поной, 5 км от устья 973 12.9 12.6 397

Пача бассейн р. Поной 132 10.0 1.32 41.6

Для потребителей электроэнергии с передвижным характером работы могут применяться современные рукавные микроГЭС. В состав микроГЭС входят: водозаборник, напорный трубопровод и энергоблок. Напорный трубопровод состоит из нескольких быстроразборных секций, кроме того, микроГЭС комплектуется электрощитком, соединительными проводами и светильниками. Применение такой ГЭС ограничивается возможностью создания напора 3-6 м и расходом воды 50 л/с. Лучше всего она подходит для горных или холмистых местностей и водотоков с достаточно большим уклоном. Общая масса комплекта составляет 65 кг. Для работы станции в зимнее время трубопровод необходимо утеплять. Общая схема переносной рукавной микроГЭС представлена на рис. 1.

1 - водопровод напорный; 2 - направляющий аппарат; 3 - ротор;

4 - проточная часть; 5 - уплотнение ротора; 6 - маховик;

7 - генератор переменного тока со встроенным выпрямителем и регулятором напряжения; 8 - рама

Рис. 1. Рукавная переносная микроГЭС

Переносные рукавные микроГЭС выпускаются инженерно технической фирмой ОсОО "Гидропоника" (г. Бишкек), ИНСЭТ (г. Санкт-Петербург), АО Тяжмаш и другими. Характеристики некоторых рукавных микроГЭС приведены в табл. 4-6.

Из зарубежных разработок особенно интересными представляются гравитационноводоворотная мини-ГЭС, предложенная австрийским изобретателем Францем Зотлётерером из

Оберграфендорфа, и модель портативной микроГЭС под названием Back Power Plant (BPP-1 и BPP-2) мощностью 500 и 600 Вт американской компании Bourne Energy.

Таблица 4

МикроГЭС фирмы ОсОО «Г идропоника»

"Шар-Булак 1.0" "Шар-Булак 1.7" "Шар-Булак 5.0"

Мощность, кВт 1.0 1.7 5.0

Тип генератора Асинхр. двигатель в генераторном режиме Асинхр. двигатель в генераторном режиме Асинхр. двигатель

Род тока переменный переменный переменный

Напряжение, В 220 220 220/380

Частота, Г ц 50 50 50

Расход воды, л/с 7-9 20 20-30

Напор, м 3. 4^ 6-7 8

Цена, $ 950 1500 2200

Таблица З

Характеристики микроГЭС фирмы «ИНСЭТ»

Диапазоны Стоимость пропеллерного агрегата, тыс. руб. (на 01.03.2012 г.) Модель микроГЭС

мощностей, кВт напоров, м расходов, м3/с

до 10 4-10 0.12-0.21 475 микроГЭС - 10Пр

до 15 6-12 0.12-0.303 525 микроГЭС - 15Пр

до 50 4-10 0.4-0.8 2500 микроГЭС - 50Пр

Таблица 6

Технические и стоимостные характеристики рукавных микроГЭС

Луч-1 Луч-2 Луч-4 Луч-10

Мощность, кВт 1.0 2.0 4.0 10.0

Род тока однофазный однофазный трехфазный трехфазный

Напряжение, В 220 220 380 380

Частота, Г ц 50 50 50 50

Масса энергоблока, кг 60 92 110 180

Г абаритные размеры, мм 700x385x485 850x500x490 970x610x540 1155x850x750

Расход воды, л/с 40 50 85 145

Рабочий напор, м 5 6,5 8,5 10.0

Диаметр водовода, мм 150 180 210 270

Цена, тыс. руб. 50.4 90.7 172.9 390.0

Мини-ГЭС австрийского изобретателя состоит из специального канала, подводящего воду из русла реки по касательной к плотине, представляющей собой бетонный цилиндр. Далее вода падает в центр цилиндра, образуя водоворот, и закручивает турбину, находящуюся на глубине. Экспериментальный образец мини-ГЭС (рис. 2) имеет максимальную мощность 9.5 кВт, работает при напоре 1.3 м и расходе воды 1 м3/с. К.п.д. станции достигает 73%. Стоимость такой ГЭС составляет 75 тыс. $. Скорость вращения турбины невысока, поэтому не представляет опасности для рыбы. Оптимальной изобретатель считает станцию мощностью до 150 кВт при напоре свыше 0.7 м.

Американская компания Bourne Energy разработала генераторы, по форме напоминающие торпеду. В ее корпусе размещается генератор, управляющая электроника с датчиками и система

охлаждения. Длина торпеды составляет 0.9 м, что позволяет ее легко переносить в рюкзаке. МикроГЭС крепится с помощью троса поперек реки или ручья с глубиной более 1.2 м. Также станция может подсоединяться к сети. Модель ВРР-1 разрабатывалась для гражданского населения, а ВРР-2 - для военных. Вес первой модели - 13.5 кг, второй - 11 кг. В целях маскировки ВРР-2 может монтироваться и на дне реки. При серийном выпуске таких агрегатов стоимость их может составить 3 тыс. $.

Рис. 2. Гравитационно-водоворотная мини-ГЭС

В архиве компании Bourne Energy есть и более мощные генераторы: River Star, Tidal Star и Ocean Star, предназначенные для работы на реках, проливах и в открытом море соответственно. Проточный гидроагрегат River Star-50 мощностью 50 кВт (рис. 3) представляет собой капсулу с поплавком для удержания ротора на заданной глубине, плавником - стабилизатором, медленно вращающейся крыльчаткой, генератором и преобразователем напряжения. Устанавливается он на тросах, натянутых поперек реки под водой. Параллельно тросам идут кабели, передающие электроэнергию на берег. Компания Bourne Energy собирается запустить мелкосерийное производство таких агрегатов.

11

Рис. 3. МикроГЭС фирмы Bourne Energy River Star-5Q

Большинство малых и средних рек Мурманской области по своим гидрологическим характеристикам пригодны для эксплуатации на них микроГЭС. Они многоводны и скорость течения достаточна. К тому же микроГЭС не требуют создания больших напоров воды. На рис. 4 показаны возможные места для установки микроГЭС на рыболовных, охотничьих и туристических базах Мурманской области.

В зависимости от требуемой мощности и расхода реки можно подобрать множество вариантов микроГЭС для обеспечения необходимой выработки электроэнергии. Это достигается

за счет вариации типов и количества устанавливаемых энергоблоков. Как правило, нагрузка потребителя, будь то хозяйственный двор или турбаза с водо- и теплоснабжением, электроплитой и освещением, не превышает 5 кВт.

При работе микроГЭС в автономном режиме необходимы автоматические устройства, которые при уменьшении электрической нагрузки у потребителя подключают балластную нагрузку, чтобы частота вращения агрегата не превысила допустимые пределы. Автономные микроГЭС в сравнении с ветроэнергоустановками и дизель-генераторами работают непрерывно в течение суток, причем до 20 часов на балластную нагрузку [4]. В качестве балластной нагрузки могут выступать различные водонагреватели и системы отопления.

Перед потребителем в настоящее время открывается широкий спектр разнообразного отечественного и импортного гидроэнергетического оборудования в различном ценовом диапазоне.

Условные обозначения:

+ - маяки

о - населенные пункты — - железная

лооога ♦ - предлагаемые

По^ярны& -

с

Кол; _

Тулома, Мк-рмаши

Ж ЛГІ &} /' ' - ' чф' Лапта -н-'

Верхнетуло;

иоерка

Североморск ^. ^Мурманск Хут,

Дальние Зеленцы микро- ГЭС

Оленегорск

У *

И ТГч

х/ гч

47- і - . ІКУ \

оз .Зяб'алг4 . '%>>у % ^ \ -ф-

/ Островной

/ гиколагва

/ *“<<*, ЗашеЬ

Мончегорск /

. '  І =» / • ‘ ч

115 I/  , I -  -

л..,—и -тафтой

кМ ° Кирсвск

АПЯТИТЪТ \

zv *

4

Алаїдфтти

чГ\ V

Нивский/ ПоЛЯр НЪ1£ зори

/Цакі|^ Тіъг  ;ґь^аркпг _ ° : и . я • Ч

г^ТТ^Г > '—” ---

Нямозі

'Колвица

Кд/е ’

т

Каневка I *Ьг

Лесой —Заееченск^ гТгчстх-,

V )

V^'

Ж*

^ і

“'-г

' "5 Ч*.

„ . 0, .. ^ ) дХда

Варзуга

'^ВХ-/\\ ^ Л

^„^Умба, .

\\А Л (I \

^ ч -і ВірзуІтаУ і /;

Оленишц ;° ; . йі» і

КашкаранЬы~_^.

^ КузоменЬ ^

Чаваньга'

Рис. 4. Схема рек Кольского полуострова

ЛИТЕРАТУРА

1. Ресурсы поверхностных вод СССР / под ред. Ю.А. Елшина и В.В. Куприянова // Кольский полуостров, т. 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 316 с. 2. Каталог рек Мурманской области / под ред. Ф.И. Быдина. М.-Л.: Изд. Академии наук СССР, 1962. 210 с. 3. Водноэнергетические ресурсы Кольского полуострова, вып. 6. М.;Л.: Изд. Академии наук СССР, 1961. 143 с. 4. Кусков А. Микрогидроаккумулирующая электростанция // Энергетика и

промышленность России. 2008. № 14 (106): Малая и альтернативная энергетика: Режим доступа: http://www.eprussia.ru/epr/106/8201.htm. Загл. с экрана.

Сведения об авторах

Минин Валерий Андреевич - к.т.н., старший научный сотрудник, зав. лабораторией энергосбережения и возобновляемых источников энергии; e-mail: minin@ien.kolasc.net.ru Коновалова Ольга Евгеньевна - старший инженер лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии; e-mail: konovalova@ ien.kolasc.net.ru

Иванова Елена Анатольевна - старший инженер лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии; e-mail: ivanova@ ien.kolasc.net.ru