Гидроэнергетические сист. Использование воды для получения механической энергии достаточно старая практика
 Скачать 3.89 Mb.
|
|
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПОРА Для большинства ГЭС необходим трубопровод, подающий воду для работы турбины. Исключение - винтовые машины с открытым входом. Вода должна пройти сначала сквозь фильтр, "задерживающий" находящийся в ней мусор, чтобы избежать засорения и повреждения турбины. Вход обычно размещается в стороне от основного водяного потока, чтобы во время интенсивного потока предохранить турбину от прямого напора воды и мусора. 36 СЕБЕСТОИМОСТЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ВЫРАБОТАННОЙ НА МАЛЫХ ГЭС Согласно данным Мирового Банка, первичные капиталовложения в строительство малых ГЭС колеблются от 1800 до 8800 долларов США за 1 кВт установленной мощности (для водяных напоров от 2,3 м до 13,5 м), и от 1000 до 3000 долларов США за 1 кВт (для напоров от 27 м до 350 м). В то же время, затраты на обслуживание ГЭС невысокие. К капитальным затратам относятся: Строительство дамбы, канала, станции. Оборудование для производства электроэнергии (турбина, генератор, трансформатор, линии электропередач). Другие (разработка, стоимость земли, пуско-наладочные работы). Обычно оборудование, используемое при небольшом водяном напоре и низкой выработке электроэнергии, является дорогостоящим: на него приходится от 40 до 50% от общих капиталовложений. Поскольку речь идёт о затратах на гражданское строительство, нельзя дать точных цифр относительно стоимости каждого объекта. Дамбы, каналы и приёмные устройства будут составлять разные процентные соотношения от общих капиталовложений для различных объектов. Многое зависит от топографии и геологии, а также от применяемой технологии строительства и от используемых материалов. К примеру, общая стоимость новых малых ГЭС в Германии составляла 5-9 евро за 1 Вт установленной мощности. Затраты, связанные непосредственно со строительством ГЭС, составляли 35% этой суммы, стоимость же оборудования для производства электроэнергии - 50%. В разных странах стоимость турбины, конечно же, различна: например, турбина мощностью 8 кВт (тип Банки с регулированием) в Чешской республике стоит 3500 евро или 0,45 евро за 1 Вт. Высокие капитальные затраты - самый большой барьер на пути широкомасштабного развития малой гидроэнергетики. Однако, несмотря на этот факт и длительный срок окупаемости (7-10 лет в некоторых странах, например в Словакии), малые ГЭС являются рентабельными из-за их продолжительного срока службы (более 70 лет) и низких затрат на техническое обслуживание. Как правило, стоимость обслуживания и ремонта, не включая замену дорогостоящего оборудования, составляет приблизительно от 3 до 4 % капиталовложений для малой и микрогидроэнергетики. 37 МАЛЫЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ДЛЯ РАЗВИВАЮЩИХСЯ СТРАН В развивающихся странах малая гидроэнергетика может иметь потенциально важное значение для освещения домов, для обеспечения электроэнергией водонапорных станций, для таких отраслей промышленности, как деревообработка и металлообработка, для помола зерна, а также в текстильной промышленности. Акцент делается на использовании имеющейся в настоящее время технологии, на применении простого оборудования, которое можно изготовить в данном регионе с использованием местных строительных материалов и технологий. Основная цель - максимальное понижение капитальных затрат. В свою очередь, это может привести к усовершенствованию местных технологий с их последующим применением для больших ГЭС. КИТАЙ За последние 25 лет развитие малой гидроэнергетики в этой стране было стремительным. Помимо строительства больших объектов, много внимания уделялось и малым ГЭС, что привело к появлению на обширных 38 сельскохозяйственных территориях 100 000 станций суммарной установленной мощностью около 10000 MВт. Первая крупномасштабная кампания по строительству малых ГЭС началась еще в 1956 году. Амбициозный план состоял в строительстве 1000 малых станций, использование которых предусматривало не только выработку электроэнергии, но и создание ирригационных систем. Хотя промышленные технологии позволяли осуществить строительство больших ГЭС, строительство малых ГЭС продолжалось. Широкое применение получили миниатюрные турбогенераторы номинальной мощностью от 0,6 до 12 кВт для обеспечения электроэнергией горных деревень, рассеянных по стране. Развитие малой гидроэнергетики полностью основывалось на использовании местных ресурсов: материалов, технологий и местной рабочей силы. Учитывая этот фактор, необходимо отметить, что достигнутые результаты оказались более чем впечатляющие. Однако, развитие гидроэнергетики в Китае тормозят следующие препятствия. Региональное распределение водных ресурсов очень неравномерно и сконцентрировано в областях, которые слабо заселены. Неравномерность потока воды во многих реках значительна. Например, максимально зарегистрированная скорость потока в реке Хуанхэ в 88 раз превышала ее минимальный уровень, а на малых реках такие колебания потока, вероятно, будут намного выше. 39 МИКРОГЭС Под микроГЭС понимают ГЭС мощностью менее 1 кВт. При максимальной нагрузке такие ГЭС вырабатывают количество электроэнергии, достаточное для полного обеспечения трех домашних хозяйств. Никакая другая технология возобновляемой энергетики, имеющая такую же стоимость, не является столь надёжной и вырабатывающей такой же объем энергии. Строительство микроГЭС означает, что для водного ресурса местности характерным является или очень низкий напор, или очень слабый поток, а иногда и обе характеристики сразу. ГЭС, построенные на реке с низкой скоростью потока, обычно имеют аккумулирующую систему и разработаны таким образом, чтобы вырабатывать электроэнергию с постоянным током. При наличии сильного потока ГЭС могут вырабатывать электроэнергию с переменным током без использования аккумулирующей системы. Однако подобные ГЭС должны работать и при пиковых нагрузках. В некоторых случаях произведенная избыточная электроэнергия обеспечивает дополнительные объекты, например, водонагреватель. Гидротурбина, обеспечивающая электроэнергией домашнее хозяйство, может быть куплена за 1000 долларов США. Эти простые приборы, размером с хлебницу, используют обмотку автомобильного генератора для выработки постоянного тока. Постоянный ток используется для зарядки аккумуляторов, затем преобразуется в переменный ток с помощью инвертора. Типичная микрогидроустановка переправляет малую часть водяного потока сквозь фильтр в емкость для воды, например, 200-литровую бочку. Бочка служит отстойником, фильтр задерживает мусор, находящийся в воде, который может засорить входное отверстие турбины. Вода попадает из бочки в турбину по поливинилхлоридному трубопроводу (обычно от 5 до 10 см в диаметре), а затем возвращается в речной поток. 40 Дополнительные затраты на трубопроводы, контрольную систему, аккумулятор и электропроводку зависят от каждого отдельного случая и колеблются от 1000 до 5000 долларов США. Микрогидротурбины бывают двух основных видов. Одни используют генератор переменного тока по типу автомобильного. Другие (наногидросистемы) используют генератор с постоянным магнитом либо мотор. Машины, работающие с генератором переменного тока, используются для ГЭС мощностью от 100 до 1000 Вт, в то время как турбины с генератором на постоянных магнитах лучше подходят для ГЭС мощностью до 80 Вт. Для регулирования в больших гидросистемах используют шунты. Это предотвращает превышение скорости вращения турбины и преждевременный износ деталей. Меньшие системы используют стабилизаторы, которые "разгружают" генератор в периоды, когда выработка электроэнергии не нужна.В работе микроГЭС используют аккумуляторы: турбина вырабатывает постоянный объем электроэнергии. Аккумулятор действует как "маховик" для сглаживания периодов, когда потребление достигает пиковых нагрузок. МикроГЭС заряжает аккумулятор практически сразу после 41 того, как небольшое количество электроэнергии, накопленной на батарее, было использовано. Эти системы, как и обыкновенные аккумуляторы, могут работать длительное время. НАНОГЭС С ГЕНЕРАТОРОМ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ Отличительной чертой этих ГЭС является использование генераторов на постоянных магнитах. Преимущество состоит в том, что электроэнергия не тратится для создания магнитного поля, как в большинстве случаев с генератором переменного тока; то есть вся выработанная электроэнергия поступает на аккумулятор. Недостаток системы с постоянными магнитами состоит в том, что ее максимальная мощность ограничена естественной силой магнитов. АККУМУЛИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ Большинство микро- и наносистем являются аккумулирующими. Они требуют гораздо меньшего количества воды, чем системы переменного тока и обычно более дешевые. Поскольку энергия накапливается на аккумуляторе, генератор может быть отключен без прерывания снабжения электричеством потребителей. Трубопровод, турбина, генератор и другие узлы для таких ГЭС могут быть намного меньшими, чем в системах с переменным током. Для преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный ток, необходимый для работы большинства домашних приборов, используются инверторы. Входное напряжение постоянного тока на аккумуляторе обычно от 12 до 48 В. Если дальность передачи небольшая, тогда используется 12- вольтовая система. Для передачи на большие расстояния используется более высокое напряжение. ГИДРОСИСТЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Гидросистемы переменного тока в основном используются коммунальными предприятиями. Система переменного тока не нуждается в аккумуляторе. Наиболее тяжёлый режим - периоды пиковой нагрузки в сети при работе холодильников, посудомоечных машин и некоторых других бытовых приборов. В гидросистемах переменного тока выработанная электроэнергия не аккумулируется, поэтому любой избыток электроэнергии используется сразу же, например, для работы водонагревателя. Почти всегда имеется достаточный избыток электроэнергии для подогрева воды или отопления помещения. НАСОС-ТУРБИНЫ 42 Использование стандартных насосов, работающих в режиме турбины, так называемые насос-турбины (НТ), может быть альтернативой традиционным гидротурбинам, причем с большим экономическим преимуществом. Этот "вид" турбин может сыграть решающую роль в развитии малой гидроэнергетики. Единственное отличие НТ от традиционных турбин в том, что из-за отсутствия гидравлического контроля источник воды не может использоваться так же эффективно, как в случае с турбиной. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАСОС-ТУРБИН Насосы могут работать в реверсивном режиме так же эффективно, как и турбины. Благодаря этой характеристике, стандартные насосы чаще стали использоваться в малой и микрогидроэнергетике. Однако производительность в обоих режимах не одинакова: в режиме турбины скорость потока и напор превышают величины, характерные для работы оборудования в режиме насоса. Главная причина этого различия связана с гидравлическими потерями. Насос-турбины могут использоваться как привод для машин, работающих в агропромышленном комплексе и других отраслях промышленности (мельницы, нефтяные насосы, очистители риса, лесопилки, деревообрабатывающие и металлообрабатывающие мастерские), а также для выработки электроэнергии на автономных станциях и на станциях, подсоединенных к общей энергосети. ПРЕИМУЩЕСТВА НАСОС-ТУРБИН Капитальные затраты на насос-турбину могут быть на 50 % ниже по сравнению с сопоставимой турбиной (особенно для малых механизмов мощностью ниже 50 кВт). Это может стать важным доводом для проектов с ограниченным бюджетом. Отсутствие гидравлического устройства, контролирующего поток, обычно воспринимается как недостаток, но в то же время является преимуществом, так как конструкция насоса - проста и надёжна. Благодаря своему широкому применению в различных областях промышленности, для ирригации, в водопроводных системах, приобрести стандартный насос легко, т.к. изготовители насосов или их представители есть во всех странах. Запасные детали насосов также легкодоступны, почти во всех странах мира существует послепродажное обслуживание насосов изготовителями. Для их обслуживания не требуется ни специального оборудования, ни особой квалификации. НЕДОСТАТКИ НАСОС-ТУРБИН Нет гидравлического контроля потока, поэтому контрольный клапан должен быть встроен в трубопровод, что, естественно, вызовет дополнительные затраты. Если клапан используется не только для запуска и остановки насоса, но и для его регулировки, в соответствии с сезонными колебаниями потока, гидравлические потери резко возрастут. При частичной нагрузке эффективность работы НТ намного ниже, чем у традиционных турбин, имеющих эффективное гидравлическое управление (поворотные направляющие лопатки, сопла или рабочие лопасти) для регулировки машины в соответствии с изменяющимся потоком или требуемой выходной мощностью. Если НТ используются в потоке, отличном от расчётного, то есть ниже их проектной максимальной величины, происходит относительно быстрое уменьшение КПД. 43 Недостатки НТ можно минимизировать, если насос тщательно подобрать и применить в соответствующих условиях. При неэффективном использовании машины ее низкая производительность сведет на "нет" финансовое преимущество, полученное от низкой стоимости насоса. РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ НАСОСАМИ И ТУРБИНАМИ Насосы обычно работают с постоянной скоростью, напором и потоком. Насос разработан для работы с постоянными параметрами и не требует регулирующего приспособления, например, направляющей лопатки. Турбины функционируют в условиях переменного напора и потока. В малой ГЭС поток должен быть регулируемым, чтобы приспосабливаться к сезонным колебаниям водного ресурса или контролировать объем вырабатываемой электроэнергии согласно требованию потребителей. Поток регулируют поворотные направляющие лопатки и (или) рабочие лопасти (или сопла, управляемые клапаном). НАСОСЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РЕЖИМЕ ТУРБИНЫ Фактически, любой насос может использоваться как турбина. Однако, главное преимущество НТ - его низкая стоимость по сравнению с обычной турбиной - характерно, в первую очередь, для стандартных центробежных насосов, в то время как насосы осевого потока более дорогие и поэтому, соответственно, менее выгодны. Разнообразные конструкции насосов и широкий диапазон их выходных мощностей обеспечивает возможность использования НТ для напора от 10 м до нескольких сотен метров. Даже погружаемый в воду насос может использоваться как НТ. Хотя НТ широко применяются для малых объектов гидроэнергетики, они не могут повсеместно замещать обычные турбины. Так как НТ не имеют устройства гидравлического контроля напора, они обычно не подходят для работы в условиях переменного потока. Дросселирование потока посредством контрольного клапана в турбине неэффективно и редко применяется. ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС Плунжерный насос появился в начале ХХ века и был очень популярным у фермеров, имеющих источники воды на своей земле. С появлением сетевой электроэнергии и водных магистралей их применение резко сократилось. Тем не менее, это устройство даже сегодня является источником дешевой энергии. Плунжерные насосы не вырабатывают электроэнергию, они перекачивают воду на более высокий уровень, используя лишь давление воды. Никакой другой источник энергии не нужен. Плунжерные насосы не 44 требуют дополнительного оборудования, специального обслуживания и условий. Плунжерные насосы доказали свою надёжность: более 100 лет они используются, оставаясь одним из примеров практичных и эффективных технологий возобновляемой энергетики. Плунжерные насосы относительно дешевы, срок их эксплуатации почти неограничен. Для эффективной работы плунжерного насоса необходимо выполнение всего лишь двух условий: наличие источника воды (ручей или поток), обеспечивающего расход 4 литра в минуту и возможность обеспечения "падения" этой воды. Плунжерные насосы чаще всего используются для таких целей: водоснабжение небольших населенных пунктов; ирригация; подъем и циркуляция воды для промышленных установок; циркуляция воды для тепловых насосов; циркуляция воды для солнечных панелей. КАК РАБОТАЕТ ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС В основе работы плунжерных насосов лежит циклический процесс. Цикличность осуществляется в результате работы двух клапанов насоса. Вода, поступившая в направляющую трубу, течёт по ней под действием гравитации, пока не достигает плунжера, затем проходит сквозь плунжер и под воздействием импульсного клапана сбрасывается в дренаж. Во время движения скорость потока возрастает до того момента, когда импульсный клапан не в состоянии больше пропускать поток, и в этот момент клапан внезапно закрывается. Выход, таким образом, перекрывается, течение воды останавливается, что, в свою очередь, вызывает колебания корпуса плунжера, размер которых соответствует высоте и расстоянию, пройденному потоком. В результате этих колебаний плунжера часть воды в |