Гэс: принцип работы, схема, оборудование, мощность

Преимущества и недостатки

Гидроэнергетика обладает неоспоримыми преимуществами:

• Чистота электроэнергии. Она вырабатывается при абсолютном отсутствии вредных выбросов.
• Возможность строительства мощных электростанций при соответствующих природных условиях.
• Гибкость производства. Система плотин позволяет регулировать интенсивность потока воды и конечную выработку электроэнергии. Электростанции легко адаптируются к уровню энергопотребления.
• Высокая безопасность. Так как ГЭС не используют ископаемое или ядерное топливо, внутри этих станций нет риска взрыва с тяжелыми последствиями.

Недостатки гидроэнергетики:

• Высокий уровень инвестиций в строительство.
• Неблагоприятное воздействие на окружающую природу. Возведение гидроэлектростанций плотинного типа нарушает естественную экосистему, так как затапливаются огромные участки суши. Строительство вблизи ГЭС линий электропередачи, новых дорог, прокладка кабелей также оказывает влияние на ландшафт.
• Необходимость иметь адекватные природные условия: значительный перепад воды в реках, выраженные приливные явления. Большинство мест, пригодных для строительства мощных гидроэлектростанций, уже использованы.
• В отдельных районах имеется риск засухи. Длительное отсутствие осадков не очень предсказуемо, иногда может привести к полному прекращению выработки электроэнергии и способно вызвать проблемы в энергосистеме.

Примеры изготовления

   Можно привести несколько примеров самодельных мини ГЭС. Начнем с простейшего, который не отнимет у вас много времени, но поможет создать представление, как это работает.

   Возьмем обычный велосипед с велогенератором (динамо машиной) и велофарой. Из кровельного железа или из листового алюминия вырежем несколько лопастей (2-3). Лопасти должны быть длиной от обода колеса до втулки, а шириной 2-4 см. Лопасти устанавливаются между спицами, для крепления их края загибают плоскогубцами вокруг спиц. Так как металл лопастей тонкий, это не сложно сделать.

   Если вы используете две лопасти, то установите их напротив друг друга. Если захотите добавить большее количество лопастей, то разделите окружность колеса на число лопастей и установите их через равные промежутки.

   Такая мини ГЭС, зто большое подспорье велотуристам, если они остановились на берегу реки с быстрым течением. Вода поможет освещать палатку и заряжать сотовые телефоны. С глубиной погружения колеса можно поэкспериментировать. Обычно его погружают от одной трети до половины.

   Другой пример гидрогенератора – это мини ГЭС для электроснабжения небольшого фермерского хозяйства, мощностью 3-5 кВт. Мощность потока, вращающего колесо, составляет примерно 100 литров в секунду. Для изготовления использовались только подручные материалы, из тех. Что можно найти на свалке.

   Ротор-колесо был сделан из металлического барабана от кабеля. Диаметр барабана 2200 мм. Барабан разрезали болгаркой и переварили. Расстояние между щечками составило 300 мм. Под углом 45 градусов к радиусу вварили 18 лопастей. Материал лопастей – это остатки от разрезанного барабана. Барабан вращается на подшипниках, в качестве опоры для конструкции применена рама из труб или уголков.

   Самодельные лопасти

   На колесе смонтирован цепной редуктор, с коэффициентом передачи равным четырем. Далее вращение передается через карданный вал от «Жигулей» ВАЗ 2101. Кардан позволяет уменьшить вибрацию и снизить требования к соосности привода и генератора. Генератор и прочая электрика и механика, связанная с ним, закрыты водонепроницаемым кожухом (контейнером). Это сделано из соображений безопасности и долговечности.

   Внутри кожуха установлен повышающий редуктор с коэффициентом 40 и трехфазный генератор. Скорость вращения генератора примерно 3000 оборотов в минуту. Общий коэффициент редуцирования двух редукторов (цепного и шестеренчатого) 160. Таким образом, водяное колесо вращается со скоростью около 18-20 оборотов в минуту.

   В качестве генератора был использован списанный асинхронный двигатель, блок управления взят от старой списанной кормодробилки 1953 года выпуска. От генератора до фермы протянут кабель ВВГ НГ 2х4 квадрата. Кабель закреплен на самодельных столбах.

   Материалы и изготовление обошлись в 1500 $. Большая часть денег это оплата рабочим и сварщику. Сумма может быть и меньше, ведь у нас есть много свалок, куда выбрасывают вполне работоспособное оборудование и собственные голова и руки помогут вам экономить деньги.

Основные компоненты деривационных систем

Функциональную инфраструктуру ГЭС такого типа формируют водонапорные и энергетические сооружения. Основу водонапорной части составляют заборники, водосбросные каналы и накопительные резервуары. Между этими гидроузлами осуществляется перемещение воды из верхнего створа рек по искусственным каналам в водохранилища. Что касается энергетических сооружений в составе деривационных ГЭС, то их чаще представляют специальные водоводы, обеспечивающие течение потоков к приемному оборудованию в гидротехнических зданиях.

Ключевое значение с точки зрения выработки энергии имеет оснащение таких зданий механизмами, генерирующими энергию. В частности, это могут быть гидротурбины с трансформаторами, а также механическое оборудование, которое выступает конечным потребителем энергии. В обоих случаях часть вырабатываемого электричества направляется на обслуживание работы общей инфраструктуры, в которую входят системы управления с автоматикой, распределительными устройствами и системами для аварийного отключения.

Разновидности мини ГЭС

Мини гидроэлектростанция – это оборудование мощностью от 1 до 3000 кВт, которое включает в себя водозаборное устройство (турбину), генерирующий энергоблок и систему управления оборудованием.
В зависимости от используемых водных ресурсов мини ГЭС делятся на несколько категорий:

• русловые станции, использующие энергию небольших рек с организованными водохранилищами. Применяются в основном на равнинной местности;
• стационарные станции, использующие энергию быстрого течения при эксплуатации горных рек;
• станции, использующие перепады водного потока на промышленных предприятиях;
• мобильные станции, использующие для организации потока армированные рукава.

Для различных условий работы мини ГЭС разработаны соответствующие конструкции турбин:

• при большом напоре водяного потока более 60 м применяют радиально-осевые и ковшовые турбины;
• при средней интенсивности потока 25 — 60 м хорошо зарекомендовали себя турбины поворотно-лопастной и радиально-осевой конструкции;
• на низконапорных потоках выгодней использовать поворотно-лопастные и пропеллерные конструкции, помещенные в железобетонные камеры.

Новые разработки

Проект ГЭС

Как известно, гидроэлектростанции не могут работать без воды и потому возводятся на берегах рек. Для этого необходимо строить плотину и другие сооружения.

Весь комплекс работ следует проделывать даже при возведении малых ГЭС. Но в последнее время некоторые учёные высказывают достаточно оригинальные предположения: нельзя ли построить такую станцию на расстоянии от речного берега? Казалось бы, ответ на вопрос ясен, конечно же, нет. Но не нужно торопиться.

Оказывается, реализовать подобные планы можно, уже существует несколько вариантов решения проблемы. Авторы идеи утверждают, что главное условие существования установки – наличие воды и напора – можно обеспечить и вдали от рек. Для создания напора предлагается использовать силу взрывной волны. Благодаря этому энергия воды направляется на лопасти гидротурбины.

Представим одиночный энергоблок, который будет состоять из корпуса (железобетонный или металлический цилиндр, заполненный водой) и взрывной камеры. Предполагаемый диаметр цилиндра – от восьмидесяти до ста двадцати сантиметров, высота достигает двух метров. На высоте полутора метров устанавливается гидротурбина, лопасти которой сконструированы особым образом: ось выходит на крышку цилиндра, где соединяется через редуктор с генератором тока.

Как же такое устройство обеспечивает преобразование энергии воды в электроэнергию? В камере происходит взрыв определенного количества вещества. Взрывная волна жидкости проходит по стволу и попадает в цилиндр. Вследствие этого происходит вращение лопастей турбины, что, в свою очередь, является причиной работы гидрогенератора.

По мнению разработчиков проекта, самым важным условием для обеспечения эффективности изобретения является правильный расчёт веса взрывной волны, необходимого для производства волны, а не всплеска. Кроме того, должна быть точно рассчитана периодичность взрывов, что позволит избежать перерывов в действии устройства и не снижать скорость вращения лопастей. На стадии разработки находятся и другие варианты подобных установок.

Гидроаккумулирующие электростанции

Знак у Киевской ГАЭС

В период малых нагрузок гидроагрегаты станции заняты перекачкой воды из низового водоёма в верховой. Во время повышенной нагрузки происходит использование запасённой воды для выработки пиковой энергии. Обратимые гидроагрегаты обеспечивают работу турбинных и насосных режимов и представляют собой соединение синхронной электрической машины и гидравлической насос-турбины.

Энергия, которая тратится на перекачку, вырабатывается ТЭС во время пониженной загрузки, когда её стоимость не слишком высока. То есть, дешёвая ночная электроэнергия преобразовывается в дорогую. Экономическая эффективность, как можно убедиться, довольно высока.
Несомненным преимуществом данного типа гидростанций является наличие высокого напора. Это позволяет устанавливать более эффективные аккумуляторы. Встречаются и станции смешанного типа. Часть установленных там гидроагрегатов способна работать в двух режимах: турбинном и насосном. Другая часть работает только в турбинном режиме. Использование таких станций позволяет накапливать большее количество воды и вследствие этого производить больше электроэнергии в периоды повышенной нагрузки.

Приливные электростанции

Приливная электростанция

Для создания экономичной приливной станции необходимы определённые природные условия. В частности, должен быть большой перепад уровней во время отлива и прилива (не менее шести метров), особенности береговой линии, которые позволяют создать плотину и водный бассейн соответствующих размеров.

На нашей планете такие места найти не так уж и просто. Это побережье американского штата Мэн, канадская провинция Нью-Брансуик, Персидский залив, отдельные регионы Аргентины, южная Англия, северная Франция, северные области европейской части России. Впрочем, даже станции, сооруженные в указанных регионах, не смогли бы достойно конкурировать с уже действующими ТЭС по стоимости производимой энергии.

Проекты приливных электростанций обычно предусматривают наличие двух бассейнов. Это верховой и низовой водоёмы. Каждый из них должен быть дополнен водопропускными отверстиями и затворами. Во время прилива верховой бассейн заполняется водой, а затем отдаёт всю воду низовому, который опорожняется при отливе.

6 Расшифровка условных обозначений

Гидрогенераторы имеют следующие условные обозначения:СВ — синхронный, вертикальный, с косвенным воздушным охлаждением обмоток статора и ротора; СВИ — синхронный, вертикальный; И — условное обозначение станции; СВО — синхронный, вертикальный, обратимый, т. е. может работать в режиме генератора или электродвигателя; СВФ — синхронный, вертикальный, форсированный, с непосредственным охлаждением обмотки статора водой и ротора воздухом или водой; СГ — синхронный, горизонтальный; СГКВ — синхронный, горизонтальный капсульный с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора водой; ВГС — вертикальный генератор,  синхронный; ВГСФ — вертикальный генератор, синхронный, форсированный, с непосредственным охлаждением обмотки статора водой и ротора воздухом; ВГДС — вертикальный генератор-двигатель, синхронный. Цифрой после условного обозначения типа основного исполнения гидрогенератора (ВГС2, СВ1, СВ2 и др.) обозначена его модификация,

После буквенного обозначения серии следует дробное число, числитель которого соответствует наружному диаметру, а знаменатель — длине сердечника статора в сантиметрах. Последние цифры обозначают число полюсов ротора, а следующий за ними индекс указывает на климатическое исполнение и категорию размещения гидрогенератора по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70 (У — умеренное; ХЛ — холодное; Т — тропическое; ТВ — тропическое влажное).

Экологическая безопасность

Традиционные ГЭС, точно так же, как солнечные и ветряные электростанции, используют возобновляемые источники энергии. Тем не менее, ГЭС не принято относить к объектам альтернативной энергетики, которая, как известно, развивается для сохранения окружающей среды. И дело не только в том, что ГЭС известны уже почти полтора века и являются основой энергетики во многих странах. У экологов есть претензии не только к ТЭС и АЭС, но и к традиционным ГЭС. При строительстве ГЭС зачастую затапливаются большие пространства. При перекрытии рек нарушаются маршруты миграции рыб, в результате чего сокращается биологическое разнообразие. Самый известный пример — сокращение поголовья осетровых рыб в результате перекрытия в 50-60-х годах Волги каскадом ГЭС. Помимо перекрытия маршрутов миграции рыб, также есть проблема гибели мальков в турбинах ГЭС, так как вода проходит через них под большим напором.

Для создания ПЭС можно использовать имеющиеся заливы и устья рек, нет необходимости затапливать большие площади. Из-за малого напора воды значительная часть мальков, попавших в турбины, выживает. Мало того, при необходимости, для решения тех или иных экологических задач можно организовать на постоянной или временной основе работу гидроагрегатов только для одного направления потока воды. При этом даже не придется строить дополнительные шлюзы — в современных ПЭС поток воды через неработающую турбину на 40% больше, чем в моменты, когда вырабатывается электроэнергия. Полвека эксплуатации мощных ПЭС показали, что они не наносят какого-либо заметного ущерба окружающей среде.

В прессе можно встретить «страшилки» про вред, обусловленный распространением ПЭС, который может привести к замедлению вращения Земли в результате отъема энергии от морских приливов. Но строгие научные расчеты показывают, что, даже если всю электроэнергию, потребляемую человечеством, вырабатывать, используя только ПЭС, на скорость вращения Земли это не окажет никакого существенного влияния.

Типы гидроэлектростанций

Несмотря на сходный принцип действия, существуют ГЭС разных типов. Так как при их строительстве в большинстве случаев используется естественный рельеф местности, то различия связаны с использованием конкретных преимуществ, которые предоставляют природные условия. Типы гидроэлектростанций:

• Деривационные. Размещаются на горных реках, где перепад высот позволяет использовать энергию падающего потока, но сильное течение исключает строительство плотины. Потоки воды направляют в специальные отводы, наклон которых сооружают так, чтобы обеспечить необходимый напор.
• Плотинные. Основной тип ГЭС, предусматривающий строительство плотины, перегораживающей русло реки и создающей водохранилище. Плотина часто также имеет функцию борьбы с наводнениями. Благодаря водному резервуару, с помощью которого можно регулировать поток воды, электростанция способна реагировать на изменение потребления энергии (снижать и увеличивать выработку) и адаптироваться к сезонным колебаниям количества проточной воды.
• Смешанного типа. Применяются в тех случаях, когда для успешной работы деривационных ГЭС необходимо и возможно построить плотину для создания резерва воды с целью регулирования потока.
• Аккумуляторные (ГАЭС). У них есть два резервуара для воды: верхний и нижний. В период низкого энергопотребления электростанция перекачивает воду из нижнего в верхний, таким образом накапливая потенциальную энергию (это насосная работа ГАЭС). В свою очередь, генератор начинает работать, когда энергопотребление возрастает. Вода поступает из верхнего резервуара, приводя в движение турбину, посредством которой вырабатывается электричество.
• Приливные (ПЭС). Используют колебания уровня воды, часто в устьях рек, где приливные явления вызывают двунаправленный поток. На прибрежном участке возводят плотину. Для эффективной работы необходимо, чтобы перепад воды был не менее 5 м. Мощность таких электростанций невелика, это связано с низкой энергией проточной воды. Большинство ПЭС используют пропеллерные турбины. Некоторые из них имеют внушительные размеры. Во Франции турбины, расположенные в нижней части Ла-Манша, имеют диаметр 21 м и мощность около 2,2 МВт.

Существует классификация гидроэлектростанций по совокупной мощности установленных генераторов, позволяющая разделить малые и крупные ГЭС, но она отличается для разных стран. Например, в Португалии, Испании, Ирландии, Греции и Бельгии 10 МВт было принято в качестве верхнего предела для малых ГЭС, в Италии – 3 МВт, Швеции – 1,5 МВт, а в Польше – 5 МВт.

Однако эти границы достаточно условны и могут изменяться государственными нормативными актами. Так, В США сначала максимальная мощность малых ГЭС была равной 5 МВт, затем 15 МВт, а сейчас уже 30 МВт. В РФ также гидроэлектростанции мощностью более 30 МВт считаются крупными.

Сферы применения

Гидроэнергостанции этого типа могут применяться для разных нужд промышленности и хозяйства. Подбор характеристик строительства конкретного объекта определяется местными географическими и климатическими условиями, а также требованиями к источнику потребления энергии. Где используются деривационные ГЭС в России? Традиционно выбираются места с большим уклоном течения реки, после чего создаются искусственные условия для деривации. Гористая местность и, в частности, Северный Кавказ, считается не самым благоприятным регионом для размещения энергетических сооружений в принципе, но именно здесь сосредоточены основные мощности по причине выгодных условий для создания естественного водоотвода с сильным напором. Также на местности со сложным рельефом часть сооружений, входящих в инфраструктуру ГЭС, выполняются под землей. Такое решение дает не только конструкционные, но и экономические преимущества. На Кольском полуострове и в Карелии применяются открытые среднегорные гидроузлы.

С чего начать?

   Если вы решились построить свою мини ГЭС, то первое, что нужно сделать – это измерить скорость течения реки. Осуществить это довольно просто: вооружитесь секундомером, отмерьте шагами 10 метров вверх по течению, бросьте в воду щепку и замерьте время прохождения этих 10 метров. Поделив метры на секунды, вы получите скорость потока. Опыт показал, что если скорость меньше 1 м/с, то эффективной ГЭС не получится.

   Для примера, можно привести соотношение, полученное экспериментальным путем, между скоростью потока м/с и мощностью снимаемой с вала винта кВт (диаметр винта 1 метр). Итак: 0.5 м/с – 0.03 кВт, 0.7 м/с – 0.07 кВт, 1 м/с – 0.14 кВт, 1.5 м/с – 0.31 кВт, 2 м/с – 0.55 кВт, 2.5 м/с – 0.86 кВт, 3 м/с -1.24 кВт, 4 м/с – 2.2 кВт и т.д. Мощность пропорциональна кубу скорости потока. Если скорость потока в вашем водоеме недостаточная, попробуйте организовать достаточный перепад высот для потока жидкости. Это можно сделать, установив сливную трубу из пруда или заключив ручеек в трубу и организовав плавное изменение диаметра трубы. Чем меньше будет диаметр в конце трубы, тем больше будет скорость потока. Если рядом с вами протекает только небольшой ручей, то можно сделать маленькую разборную плотину, а за плотиной поставить вашу ГЭС.

Схема мини-гидроэлектростанции

Принцип работы гидроэлектростанции для дома достаточно прост. Схема сооружения выглядит следующим образом. На турбину падает вода, заставляя вращаться лопасти. Они, в свою очередь, за счет крутящего момента или перепада давления приводят в движение гидропривод. От него передается полученная мощность на электрогенератор, который и вырабатывает электричество.

В настоящее время схема ГЭС чаще всего укомплектовывается системой управления. Это позволяет конструкции работать в автоматическом режиме. В случае необходимости (к примеру, аварии) имеется возможность перехода на ручное управление.

Автономное электроснабжение — миниэлектростанция для частного дома

Современный человек не представляет свое существование без электроэнергии. Вся бытовая техника нуждаются в подключении к электросети. Живя в квартире, с этим нет проблем, но проживая в коттедже или частном доме, не всегда есть возможность подключения к общей системе электроэнергии. Поэтому хозяину необходимо иметь миниэлектростанцию для частного дома. Еще ее называют генератором. Радует многообразие моделей, представленных производителями. Все отличаются характеристиками и ценами.

Какие бывают миниэлектроснатции?

Для того чтобы правильно выбрать электростанцию для частного дома, нужно определиться, какой вид оптимально подходит для ваших задач. Существует четыре вида миниэлектростанций:

• Портативные, работающие на бензине;
• Портативные, работающие на дизеле;
• Стационарные, работающие на дизеле;
• Генераторы, работающие на газе.

Портативные миниэлектростанции, работающие на бензине, представлены небольшого размера агрегатом, который запускается в ручную.

Здесь нет системы охлаждения двигателя, работать он может от 500 до 1500 часов. Используют данную электростанцию чаще в быту и ее самое главное достоинство в дешевизне.

Автономное электроснабжение частного дома с помощью портативных дизельных генераторов имеет небольшие размеры, но используется в производстве. Данный вид устройства самостоятельно запускается в работу и имеет вес 200-300 кг. Стационарные генераторы, работающие с помощью дизеля, имеют отличие в большом размере и высокой мощности.

Данные аппараты прекрасно подойдут и для огромного особняка, и для целого производства. Самые главные достоинства это то, что их легко использовать, они долговечные и нешумные. Очень много моделей существует с различными встроенными функциями.

Электростанции для частного дома, которые функционируют на газе, являются очень качественными и мощными.

Они легко могут обеспечить абсолютно любой объект подачей бесперебойного напряжения. Весят такие генераторы не больше 80 кг, но работают они намного дольше и эффективнее.

А если использовать магистральный газ, можно существенно сэкономить.

Преимущества миниэлектростанций

Достоинства генераторов помогут вам определиться с покупкой быстрее. Преимущества миниэлектростанций для частных домов:

• То, что двигатель запускается автоматически, позволяет пользоваться генератором автономно;
• От того, какое количество топлива залито, зависит и время работы;
• Разная стоимость. Цена формируется на основании стоимости генератора. Можно приобрести миниэлектростанцию от 5000 рублей.
• Если в установке мощный генератор (5-6 кВт), можно подключить большой дом.

Владея этой информацией об электростанциях для частных домах, можно отправиться их покупать.

Покупка миниэлектростанции

Приобретая электростанцию для частного дома необходимо учесть следующие нюансы:

Для выбора правильной мощности миниэлектростанции для частного дома нужно просчитать необходимое количество электроэнергии для всех нужд.

Но еще нужно не забыть о резерве мощностей, как правило, он равен 10-20%. Электростанции могут быть трехфазными и однофазными.

Сейчас при производстве больше используют однофазную систему, а трехфазная – уже устарела.

Управление данными аппаратами осуществляется автоматически, вручную или электростартером. Лучше для автономного электроснабжения частных домов приобретать генераторы, которыми можно управлять без человеческого вмешательства. Настройки каждого аппарата являются индивидуальными и зависят от модели, производителя.

Расчет мощности и условия эксплуатации миниэлектростанций

Расчет мощности напрямую зависит от того, какую технику необходимо подключать к миниэлектростанции для частного дома. Приведем показатели для примерного расчета мощности:

• Освещение дома, телевизор – 0,7 кВт;
• Освещение помещения, телевизор, компьютер – 1,3 кВт;
• Освещение здания, телевизор, компьютер, микроволновка, утюг – 2 кВт;
• Освещение помещения, телевизор, компьютер, микроволновка, утюг, пылесос, электроинструмент – более 3 кВт.

Электростанцию для частного дома лучше всего разместить в отдельной комнате, где вы сможете обеспечить защиту от влаги.

Кое-какие модели сразу оснащены необходимой степенью защиты и могут работать во влажную погоду.

Помещение для автономного электроснабжения частного дома должно иметь в обязательном порядке вытяжку, вентиляцию, автоматический огнетушитель.