РУСЛОВАЯ БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

МАЛЫЕ И МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

SMALL AND MICRO HYDRO-POWER PLANTS

УДК 532.5

РУСЛОВАЯ БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Ю.И. Безруков, О.Ю. Безруков

Смольный институт, Россия, 195197, Санкт-Петербург, Полюстровский пр., 59 Тел. +7 904 638 81 02, факс +7 812 540 14 03, e-mail: smu_tp@mail.ru

Проект относится к бесплотинным гидроэлектростанциям, которые размещают на равнинных многоводных реках, в узких сжатых долинах, на горных реках, а также в быстрых течениях морей и океанов.

Высокая эффективность преобразования энергии течений в электрическую энергию достигается тем, что в подводной части реки или быстром течении морей и океанов помещен ускоритель потока, который выполнен из нескольких встроенных друг в друга труб Вентури, а гидравлическая турбина с электрогенератором помещены на понтоне или на берегу и связаны с ускорителем потока водоводом.

Строительство таких гидроэлектростанций позволит обеспечить энергетическую безопасность многих стран мира, существенно сократить потребность в невозобновляемых источниках энергии - нефти, газе, угле и др. для тепловых электростанций и перейти к экологически чистым источникам энергии, а также отказаться от плотинных гидроэлектростанций, сооружение которых на крупных реках в индустриально развитых странах, очевидно, не имеет перспектив.

CHANNEL DAMLESS HYDROELECTRIC POWER STATION Yu.I. Bezrukov, O.Yu. Bezrukov

Smolny Institute, 59 Polustrovsky pr., Saint-Petersburg, Russia, 195197 Tel. +7 904 638 81 02, fax +7 812 540 14 03, e-mail: smu_tp@mail.ru

The project concerns to damless hydroelectric power stations which place on the lowland good rivers, in the narrow compressed valleys, on the mountain rivers and also in fast currents of the seas and oceans.

High efficiency of transformation of energy of currents in electric energy is reached by the accelerator of stream positioned in the underwater part of river or in fast currents of the seas and oceans. This accelerator is executed from the several Ventury pipes built into each other. The hydraulic turbine with the electro generator are placed on a pontoon or ashore and connected with the stream accelerator by water duct.

Building of such hydroelectric power stations will allow to ensure energy security for countries worldwide. It is essential to reduce requirement for not renewed energy sources - oil, gas, coal for thermal power stations and to pass to non-polluting energy sources, and also to refuse from dam hydroelectric power stations which construction on the large rivers in industrially developed countries, obviously, has no prospects.

Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами - их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмот-

ря на значительные удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности и продолжительные сроки строительства, придавалось и придается большое значение, особенно когда это связано с размещением электроемких производств.

Конечно, ГЭС в отличие от тепловых электростанций атмосферу не отравляют, глобальному потеплению не способствуют и запасы ископаемого топлива не сокращают. И киловатт энергии у них дешевле, чем у ТЭС. Правда, строительство обходится довольно дорого: огромные плотины, каналы, колоссальные объемы земляных и бетонных работ. Да и экологически такие ГЭС отнюдь не безопасны. Плотины нарушают естественную жизнь реки, рыба гибнет, берега заболачиваются, исчезают под водохранилищами большие площади плодородной почвы. Порой и местный климат меняется не в лучшую сторону.

Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаковый. Больше всего гидроэлектроэнергии вырабатывают Соединенные Штаты Америки, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия.

Потенциал гидроэнергетических ресурсов мира составляет более 2200 ГВт. Используемый процент гидроэнергетических ресурсов - 21% [1].

Износ гидросооружений в России на сегодня составляет 70%, и они представляют серьезную техногенную опасность в свете террористической угрозы [2].

Так что в индустриально развитых странах сооружение электростанций на крупных реках, очевидно, не имеет перспектив. Более того, в США, например, разрабатывается программа постепенной ликвидации ГЭС, наносящих ущерб окружающей среде. «Первой ласточкой» явилось решение о выделении средств на демонтаж плотины электростанции Эдвардс на реке Кенниибек в штате Мэн.

Пример ущерба окружающей среде в России.

«Русской реке Волга грозит экологическая катастрофа. Проведенные летом 2007 г. пробы личинок рыбы дали ужасающие результаты: доля мутантов на разных участках реки составила от 30 до 90 процентов. Причина - рост загрязнения волжской воды.

Помимо плохих экологических условий, мутации рыбы способствуют так называемые сине-зеленые водоросли. Они появились на Волге сравнительно недавно. Пик их цветения приходится на середину лета. Они покрывают поверхность воды и могут достигать 10 сантиметров в толщину. При разложении водоросли активно поглощают кислород и выделяют ядовитые газы» [3].

В последние десятилетия в нашей стране и за рубежом предпринимались попытки создания низконапорных турбин для бесплотинных ГЭС. Были разработаны различные конструкции (с осью вращения рабочего колеса, перпендикулярной или параллельной потоку). Например, инженер Б.Блинов сконструировал так называемую торцовую осевую турбину. Несколько гидродвигателей насаживались на гибкий вал (трос), образуя «торцовую гирлянду». В результате появлялась возможность использования энергии извилистых рек и даже ручьев. (Блинов предложил ряд конструкций такого назначения, одна из которых описана в журнале «Техника - молодежи», № 7 за 1964 г.) В середине 70-х гг. проводились экспери-

менты по применению реактивной турбины Дарье с прямыми лопастями, предлагались свободнопроточ-ная воронкообразная турбина Тайсона, многоступенчатый свободнопрямоточный гидродвигатель с лопастями из упругого материала и др.

Однако все эти устройства не получили распространения из-за низкого КПД, не превышающего 1015%. Сложную техническую задачу удалось решить, создав реактивную поперечно-струйную геликоид-ную турбину со спиральными лопастями. Автор этого изобретения, запатентованного в США в 1994 г., -Александр Горлов, наш соотечественник, ныне -директор лаборатории энергетики воды и ветра Северо-восточного университета в Бостоне.

В чем преимущества «турбины Горлова»? Ее КПД в 2-3 раза выше, чем у любой другой, работающей в свободном потоке, без плотины. Вращается она равномерно, без пульсаций и вибраций. В отличие от обычных многотонных металлических турбин речных и приливных электростанций, пластиковая геликоидная имеет очень небольшие размеры (диаметр - 1 м, длина - 84 см) и весит всего 35 кг. Для получения требуемой мощности можно использовать любое количество таких турбин, насаженных на вал электрогенератора. Поверхность рабочего колеса имеет специальное эластичное покрытие, снижающее трение о воду и исключающее налипание водорослей и моллюсков.

Исследования с целью определения оптимальных параметров и совершенствования конструкции турбины проводились в лаборатории энергетики воды и ветра Северо-восточного университета, а затем - в лаборатории Мичиганского университета. В 1996 г. испытания опытных образцов были перенесены в производственные условия: три месяца они проработали во время приливов и отливов в морском канале Кейп-Код близ Бостона, показав высокую надежность и эффективность работы.

Для выработки 136 МВт электроэнергии на ГЭС у острова Марафон потребуется 50 000 турбин Горлова, из секций по 16 турбин на 13-метровом валу и около 3,5 тысяч генераторов по 38 киловатт в водонепроницаемой оболочке. Все эти системы подвешивают к металлическим секциям размером 40 на 40 метров, по 16 турбин на секцию, на глубине, обеспечивающей свободный проход судов [4].

Надо полагать, что размещение и обслуживание огромного количества маломощных турбин и генераторов в свободном потоке океанских течений малоэффективно.

Большой резонанс в России получило изобретение бесплотинной ГЭС по пат. 2166664 Ленева Николая Ивановича [5], в которой в плавучем корпусе из легкого материала установлены на вертикальных валах зубчатые колеса, в зацепление с которыми входят цепи (в общем случае вместо цепей могут использоваться гибкие элементы, охватывающие валы или барабаны) с закрепленными на них под углом 20-50° к направлению потока прямоугольные

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (73) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009

Малые и микрогидроэлектростанции

лопасти. Лопасти закреплены на гибком элементе с помощью шарнира в их средней части таким образом, чтобы межлопастные промежутки одной ветви перекрывались лопастями другой (встречной) ветви. На передней и задней стенках каркаса закреплено по паре направляющих (по одной в нижней и верхней его частях), по которым лопасти скользят своим задним ребром. Один из валов последней секции соединен трансмиссией, включающей редуктор, с электрогенератором.

По заверениям автора, практика показывает, что эксплуатация ее (защита от плавника, льда, заиления и т.п.) не ведет к значительным затратам.

Однако большое количество валов, зубчатых колес, цепей, барабанов, лопастей, помещенных в агрессивной водной среде в русле реки, не только сложно в изготовлении и эксплуатации, но и резко снижает надежность устройства.

Интересно техническое решение по гидроэлектростанции, которую изобрели сотрудники Санкт-Петербургского Военного инженерно-технического университета, руководимые А. Савчуком. Электростанцию устанавливают в русле реки, ниже возможного уровня образования льда. Прямо на перекрытии корпуса в помещении установлены редуктор и электрогенератор, которому по валу передается вращение от турбины. Поток воды, движущийся по реке, обтекает ледорезную опору и бонные сети, защищающие сооружение во время ледохода, а также рыбу от попадания в роторы турбины. Поток входит в конфузорный канал, образуемый стенками ГЭС, и затем, ускорившись, направляется на лопасти колес, вращает турбины и, соответственно, вал генератора, вырабатывая электроэнергию. Пройдя последнее гидроколесо, поток попадает в диффузорный канал, где его скорость снижается до течения реки, с которым он и смешивается (патент РФ 2171910) [6].

Данное техническое решение не исключает взаимодействия с ледоходом, т. к. имеет надводную часть, в которой размещены редуктор и генератор. Кроме того, турбина выполнена с вертикальными лопастями на вертикальном валу и помещена в поток одной половиной, вторая же половина лопастей помещена в углубление и вынуждена тратить энергию на бесполезное перемешивание воды. КПД такого решения довольно низкий.

Предлагаемое авторами устройство [7] расширяет возможности использования русловой бесплотинной гидроэлектростанции в узких сжатых долинах равнинных многоводных рек, на горных реках, а также в быстрых течениях морей и океанов путем исключения из подводной части водного потока любых механизмов.

Технический результат достигается тем, что в подводной части реки или быстром течении морей и океанов помещен только ускоритель потока, который выполнен из нескольких встроенных друг в друга труб Вентури, а гидравлическая турбина с электрогенератором помещены на понтоне или на берегу и связаны с ускорителем потока водоводом.

Русловая гидроэлектростанция может оснащаться электролизером для получения водорода и кислорода, емкостями для хранения водорода и заправки топливных элементов в контейнерах на морских судах (см. рисунок).

Г

Океанская бесплотинная ГЭС: 1 - ускоритель потока воды;

2 - плавучий остров; 3 - генераторный зал; 4 - установка для получения водорода и заправки топливных элементов;

5 - резервуар водорода; 6 - контейнеры с топливными элементами

Ocean hydroelectric power station: 1 - accelerator of stream;

2 - floating island; 3 - generator house; 4 - machine

for reception of hydrogen and refueling of fuel elements;

5 - basin for hydrogen; 6 - containers with fuel elements

Работа гидроэлектростанции осуществляется за счет кинетической энергии потока воды, проходящего через турбину со скоростью, по крайней мере, в 15-20 раз большей, чем в течении реки или в свободном потоке океанского течения.

Высокая эффективность преобразования энергии течений в электрическую энергию достигается за счет перепада давлений в широких и узких основаниях во встроенных друг в друга трубах Вентури и ускорения потока воды у турбины генератора в 15-20 раз по сравнению со свободным потоком.

А так как мощность потока воды у турбины прямо пропорциональна скорости потока в кубе, то эффективность такого решения, по сравнению с аналогом (153/63) [6], по крайней мере в 15-35 раз выше.

Один энергоблок гидроэлектростанции размерами с железнодорожную цистерну при скорости течения реки 10 км/час может выдать мощность более 2 мВт, что позволит обеспечить электроэнергией небольшой город с населением численностью 10000 человек, а блок размером с атомную субмарину мощностью более 100 МВт - город с численностью населения более полумиллиона человек.

А так как мощность океанских течений колоссальна (Гольфстрим - средний расход воды во Флоридском проливе 25 млн м3/с, что в 20 раз превышает суммарный расход воды всех рек земного шара, Ку-росио - ширина составляет 170 км, глубина до 700 метров, средний расход воды 38 млн кубометров в секунду), строительство таких гидроэлектростанций позволит существенно сократить потребность в не-возобновляемых источниках энергии - нефти, газе, угле и др. для тепловых электростанций и перейти к экологически чистым источникам энергии.

Неосвоенные гидроэнергетические ресурсы Африки, Азии и Южной Америки открывают широкие возможности строительства новых ГЭС. На Север-

ную Америку, в распоряжении которой находится приблизительно 13% мировых ресурсов гидроэнергетики, приходится около 35% полной мощности действующих ГЭС. В то же время Африка (21% мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39%) вносят лишь 5 и 18% соответственно в мировое производство гидроэлектроэнергии. Из других континентов Европа (21% ресурсов) дает 31% производства, а Южная Америка и Австралия, вместе взятые, имея приблизительно 15% ресурсов, дают только 11% выработанной в мире гидроэлектроэнергии [1].

Проект ГЭС на Гольфстриме вызвал большой интерес у японских специалистов. По их мнению, строительство таких электростанций на тихоокеанском течении Куросио позволит укрепить энергетическую базу экономики и улучшить экологическую обстановку в стране за счет сокращения количества тепловых электростанций. Рассматривая более далекие перспективы, японские ученые считают, что океанские ГЭС наилучшим образом обеспечат электроэнергией «морские» города на искусственных островах в Тихом океане. Имеется в виду грандиозная программа постепенного переселения значительной части японцев на острова, сооружаемые в океане. Это позволит остановить дальнейший рост городов,

неизбежно ведущий к ухудшению экологической ситуации, решить проблему перенаселения страны. Коренная же территория, согласно проекту, должна использоваться под сельскохозяйственные угодья, национальные парки и парки для отдыха жителей «морских» городов.

ГЭС на Гольфстриме, ГЭС на Куросио... Похоже, ХХ1 век может стать началом нового этапа развития морской энергетики, связанного с использованием океанских течений.

Строительство таких гидроэлектростанций позволит обеспечить энергетическую безопасность многих стран мира.

Список литературы

1. http://www.allsoch.ru/.

2. ЯБОЫиМ.

3. 06.07, 20:54 /«ТВ Центр».

4. Техника - молодежи. 1998. № 11.

5. Изобретатель и рационализатор. 2005. № 5.

6. Патент РФ № 2171910.

7. Заявки на изобретение № 2006142800, 20071207210 ecoenergy@ya.ru

CIRED 2009 -

20-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ И ВЫСТАВКА ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Время проведения: 08.06.2009 - 11.06.2009 Место проведения: Чехия, Прага Темы: Электроника и электроэнергетика, Энергетика

CIRED проводится 1 раз в 2 года. После Турина в 2005 и Вены в 2007 20-я международная конференция по распределению электроэнергии собирает специалистов и руководителей компаний отрасли со всего мира в Праге, Чехия.

История CIRED:

Первая конференция CIRED была организована в мае 1971 г. бельгийской ассоциацией AIM (Association des Ingenieurs sortis de l'Institut d'Electricite Montefiore) как результат интереса, проявленного к тематике распределительных сетей 0,4-110 кВ на конференции этой организации в г. Льеже в 1969 г. В организации первой конференции CIRED также активно участвовала британская ассоциация ERA (Electrical Research Association). Первоначально планировалось проводить конференцию CIRED каждые два года поочередно в Бельгии и Великобритании. Однако огромное внимание специалистов разных стран к проблемам, поднимаемым на этих конференциях, привело к интернационализации деятельности CIRED и формированию постоянно действующей организации с таким же названием. Россия входит в состав организации CIRED с 1999 г.

В настоящее время конференции CIRED проводятся в разных европейских странах с периодичностью раз в два года. Тезисы докладов принимались до сентября 2008 года.

тш

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (73) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009

67