CC BY
81
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
УДК 620.9 (470.21)
О.Е.Коновалова, Е.А.Иванова ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИКРОГЭС НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ
Аннотация
Дана гидрографическая и гидрологическая характеристика малых и средних рек на Кольском п-ове, приведены преимущества и предпосылки строительства микроГЭС для ряда потребителей в удаленных районах Мурманской обл., а также их технические и стоимостные показатели.
Ключевые слова:
гидроэнергетические ресурсы Мурманской обл., современные отечественные и зарубежные микроГЭС.
O.E.Konovalova, E.A.Ivanova
POSSIBILITY OF USING MICRO HYDRO POWER STATIONS ON THE KOLA PENINSULA
Abstract
Hydrographic and hydrological characteristics of small and medium-sized rivers of the Kola Peninsula are presented, advantages and prerequisites of building micro hydroelectric power stations for a number of customers in the remote areas of the Murmansk region are given as well as their technical and cost parameters.
Keywords:
hydropower resources of the Murmansk region, modern domestic and foreign micro hydroelectric power stations.
Мурманская область богата гидроэнергетическими ресурсами. Здесь насчитывается более 107 тыс. озер общей площадью зеркала 8195 км2, 10 водохранилищ и около 21 тыс. рек общей протяженностью 60485 км (рис.1). 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. Протяженность более 100 км на Кольском п-ове имеют всего 15 рек. Их суммарная длина составляет 4.0% 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. В то же время по последней переписи населения 2010 г. в области насчитывается 112 сельских населенных пунктов, в большинстве из которых (104 н.п.) число жителей не превышает 1 тыс. чел., а в некоторых не доходит даже до сотни. Большая часть этих поселков находится на побережье Белого и Баренцева морей и в центре полуострова, в Ловозерском и Кандалакшском районах - в зонах децентрализованного электроснабжения. В табл.1 приведена численность постоянно проживающего населения в некоторых из таких поселений.
Рис.1 Схема рек Кольского п-ова
Электроснабжение большинства этих населенных пунктов осуществляется от дизельных электростанций, а теплоснабжение от котельных. Постоянный рост цен на топливо и значительная удаленность от железной дороги приводят к снижению рентабельности энергетических установок и повышению себестоимости 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 партии, метеостанции, воинские части, частные фермерские хозяйства, рыборазводные предприятия, туристические базы и т.д.
Многие реки Кольского п-ова порожисты. Встречаются водопады. Очень развита гидрографическая сеть. Множество болот и озер замкнуты и соединены протоками в огромные системы. Благодаря своей доступности реки Кольского п-ова часто посещаются туристами.
Таблица 1
Численность населения некоторых малых поселений Мурманской обл. (по данным переписи на 2010 г.)
Название Численность населения, чел. Административный район
П.г.т.Умба 5532 Терский
С.Оленица 27 То же
С.Варзуга 363 »
Н.п.Маяк Никодимский 3 »
С.Кузомень 84 »
С.Кашкаранцы 79 »
С.Тетрино 18 »
С.Чаваньга 87 »
С.Пялица 14 »
С.Чапома 81 »
С.Ловозеро 2828 Ловозерский
П.г.т.Ревда 8186 (на 01.01.2012) То же
С.Краснощелье 491 »
С.Каневка 94 »
С.Сосновка 58 »
Г.Островной 2038 ЗАТО Островной
Н.п.Лумбовка 39 То же
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.Енский 1700 Ковдорский
С.Ена 400 То же
Н.п.Риколатва 300 »
Н.п.Куропта 100 »
Н.п.Лейпи 400 »
Особым успехом среди иностранных туристов пользуются рыболовно-охотничьи базы, расположенные на реках бассейна Баренцева моря (Рында, Харловка, Восточная Лица), Терском берегу (Кица, Хлебная, Индель, Умба) и бассейне р.Поной (Ача, Пача).
Гидрографические и гидрологические характеристики выше перечисленных рек бассейна Белого и Баренцева моря, а также их потенциальная мощность приведены в табл.2, 3.
Стоимость гидроэнергетического оборудования в России колеблется от 300 до 1200 долл/кВт. На импортное оборудование действует таможенная пошлина 16%, поэтому его стоимость несколько выше - 500-2000 долл/кВт, а для низконапорных микроГЭС 1000 - 5000 долл/кВт.
Использование малых ГЭС, особенно микроГЭС, для обеспечения электроэнергией отдаленных населенных пунктов Мурманской обл. 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 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 может быть установлена 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 может работать параллельно с дизельной станцией, сокращая расход дорогостоящего топлива. Отсутствие земляных и строительных работ является большим ее преимуществом [1].
Таблица 2
Г идрографические характеристики и потенциальная мощность некоторых малых и средних рек бассейна Баренцева, Белого морей и р.Поной [2-4]
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 То же 126.0 260.0 2.1 45.6
Восточная Лица Бассейн Баренцева моря 118.3 290.0 2.4 44.8
Индель ОзИндель, бассейн 23.4 37.2 1.6 2.5
РПана - притока рВарзуга
Хлебная Между бассейнами 28.7 111.0 3.9 2.3
рек Умба и Варзуга
Умба ОзУмбозеро, бассейн Белого моря 124.8 151.6 1.2 79.8
Кина Бассейн озУмбозеро - р.Умба 36.8 54.3 1.5 0.5
Ача Бассейн р.Поной 79.5 131.2 1.6 6.7
Пача То же 26.1 - - -
Таблица 3
Гидрологические характеристики малых и средних рек бассейна Белого, Баренцева 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 СтХарловка, 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 бассейнами рекУмба и 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.2.
2 3 4 5 6 7 8
Рис. 2. Рукавная переносная микроГЭС:
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
Переносные рукавные микроГЭС выпускаются инженерно-технической фирмой ОсОО «Гидропоника» (г.Бишкек), ИНСЭТ (г.Санкт-Петербург), ОАО «Тяжмаш» и другими. Характеристики некоторых рукавных микроГЭС приведены в табл.4-6.
Таблица 4
Микро ГЭС фирмы ОсОО «Г идропоника»
Характеристика «Шар-Булак 1.0» «Шар-Булак 1.7» «Шар-Булак 5.0»
Мощность, кВт 1.0 1.7 5.0
Тип генератора Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель
в генераторном режиме в генераторном режиме
Род тока Переменный Переменный Переменный
Напряжение, В 220 220 220/380
Частота, Гц 50 50 50
Расход воды, л/с 7-9 20 20-30
Напор, м 3.5-4 6-7 8
Цена, долл. США 950 1500 2200
Таблица З
Характеристики микроГЭС фирмы «ИНСЭТ»
Диапазон Стоимость пропеллерного агрегата, тыс. руб. (на 01.03.2012 г.) Модель
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
Из зарубежных разработок особенно интересными представляются гравитационно-водоворотная мини-ГЭС, предложенная австрийским изобретателем Францем Зотлетерером из Оберграфендорфа и модель портативной микроГЭС Back Power Plant (BPP-1 и BPP-2) мощностью 500 и 600 Вт американской компании Bourne Energy.
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.3) 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. долл. США. Скорость вращения турбины невысока, поэтому не представляет опасности для рыбы. Наиболее оптимальной изобретатель считает станцию мощностью до 150 кВт при напоре свыше 0.7 м.
Таблица б
Технические и стоимостные характеристики рукавных микроГЭС «Луч-1», «Луч-2», «Луч-4» и «Луч-10»
Характеристика | «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, Гц 50 50 50 50
Масса энергоблока, кг 60 92 110 180
Габаритные 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
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 3000 долл. США [5].
В архиве компании Bourne Energy есть и более мощные генераторы RiverStar, TidalStar и OceanStar, предназначенные для работы на реках, проливах и в открытом море (соответственно). Проточный гидроагрегат River Star-50 мощностью 50 кВт (рис.4) 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.
Большинство малых и средних рек Мурманской обл. по своим гидрологическим характеристикам пригодны для эксплуатации на них микроГЭС. Они достаточно многоводны и быстротечны. К тому же микроГЭС не требуют создания больших напоров воды. Выше, на рис.1, показаны возможные места для установки микроГЭС на рыболовно-охотничьих туристических базах Мурманской обл.
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 ВЭУ и дизель-генераторами работают непрерывно в течение суток, причем до 20 ч на балластную нагрузку [6]. 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.
Рис.3. Гравитационно-водоворотная Рис.4. МикроГЭС River Star-50 фирмы мини-ГЭС Bourne Energy
Выводы
Современные микроГЭС способны обеспечить электроэнергией широкий круг потребителей, начиная с индивидуальных хозяйств, садоводческих кооперативов, туристических баз и заканчивая небольшими поселками, расположенными в отдаленных районах Мурманской обл. Это позволит если не полностью решить вопрос электроснабжения, то в значительной мере сократить расходы на привозное дизельное топливо и создать комфортабельные условия проживания местного населения.
Литература
1. В Сибири изготовили уникальную микроГЭС [Электронный ресурс] // Моя энергия: сайт. - Режим доступа: http://www.myenergy.ru/popular/alternative-energeticsnovost/ful]/ ^іЬігі-^оШшІі-ипіМпиіи-тіа^еІк/
2. Ресурсы поверхностных вод СССР. Кольский полуостров. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - Т.1 - 316 с.
3. Каталог рек Мурманской области. - М.; Л.: Изд. Академии наук СССР, 1962. - 210 с.
4. Водноэнергетические ресурсы Кольского полуострова. - М.; Л.: Изд. Академии наук СССР, 1961. - Вып.6 - 143 с.
5. Портативные турбины Борна [Электронный ресурс] // Проекты домов: сайт. - Режим доступа: http://qftarchitects.net/portative-turbine-borna/
6. Кусков А. Микро-гидроаккумулирующая электростанция [Электронный ресурс] // Энергетика и промышленность России. - Режим доступа: кІрУМ^^.фтззі&т/ epr/106/8201.htm
Сведения об авторах
Коновалова Ольга Евгеньевна
старший инженер лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр. Академгородок, д.21А эл. почта: konovalova@ien.kolasc. net.ru
Иванова Елена Анатольевна
старший инженер лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр. Академгородок, д.21А эл. почта: Ivanova@ien.kolasc.net.ru
