1. Классификация видов энергии океана

Водная среда морей и океанов может производить два вида энергии:

• механическую энергию волн и приливов (отливов). Механическая энергия, генерируемая приливными потоками, связана с действием гравитационных сил Луны. Волновые процессы вызываются ветрами.
• термическую энергию нагретой солнцем воды. Моря и океаны покрывают более 70 % земной поверхности, образуя крупнейший коллектор солнечной энергии. Так как водная поверхность океанов нагревается до более высокой температуры, то полученный температурный градиент может быть использован для получения энергии.

Источниками возобновляемой энергии океанов являются:

1. волновые процессы в морях и океанах
2. изменения уровня воды во время приливов и отливов;
3. течения, возникающие во время приливов и отливов;
4. течения, существующие в морях и океанах;
5. использование термической энергии океанов;
6. изменение градиента солености воды;
7. энергия морской биомассы.

Суммарный теоретический ресурс энергии волн составляет 32 000 ТВт·ч/год (115 ЭДж/год) (рис. 1), однако технический потенциал гораздо меньше и будет зависеть от развития технологий использования энергии волн (ЭДж – ЭкзоДжоуль – ×10¹⁶).

Рис. 1. Энергия волн мировых океанов

Теоретически мировой потенциал энергии приливов и отливов, происходящих на относительном мелководье, находится в пределах 1–3 ТВт (рис. 3). Технический потенциал приливно-отливных течений составляет 48 ТВт·ч/год (0,17 ЭДж) в Европе и 30 ТВт·ч/год (0,11 ЭДж/год) в Китае.

Рис. 3. Глобальное распределение амплитуды приливов

Большой энергетический потенциал имеют и океанические течения. Например, течение Гольфстрим обладает техническим потенциалом для выработки 25 ГВт энергетического эквивалента.

Потенциал термальной энергии океана составляет 44 000 ТВт·ч/год (159 ЭДж/год) (рис. 4). Как видно из рисунка, этот вид энергии имеет максимальное значение в районах экватора.

Рис. 4. Глобальное распределение тепловой энергии океанов

Теоретический потенциал градиентов солености оценивается в 1 650 ТВт·ч/год (6 ЭДж/год). Соленость воды изменяется в различных океанах, а также по их глубине (рис. 5). Это относится также и к температуре воды.

Энергия морской биомассы. Подвергнув морские водоросли ферментации, можно получить этанол. Их же можно компостировать для получения биогаза. Водоросли могут подвергаться также сушке и последующему сжиганию в энергетических целях (рис. 6).

Рис. 5. Глобальное распределение тепловой энергии и солености воды океанов

Рис. 6. Энергия морской биомассы

2. Использование энергии волн

Существуют четыре основных метода преобразования энергии волн в электричество (рис. 7):

• принцип «осциллирующей водяной колонны» (oscillating water column OWC);
• аттенюатор, ослабитель (attenuators);
• принцип «колеблющегося тела» (point absorber);
• принцип «перелива» (overtopping).

Рис. 7. Методы использования энергии волн

Метод «Осциллирующая водяная колонна (oscillating water column, OWC)» (рис. 8, 9). В полой, частично погруженной колонне из стали или бетона есть отверстие под водой. Внутренняя часть колонны содержит воздух над столбом воды. Волны, попадая в сооружение, вызывают подъем и уменьшение уровня воды. Движение воды то сжимает, то разжимает воздух в конструкции. Сжатый воздух образуется, когда вода входит в колонну, и передается турбине, прикрепленной к генератору. Волны заставляют воздух выходить через турбины и возвращаться обратно, когда давление падает. В колонне воды используется турбина Уэллса, уникальные лопасти которой позволяют ей вращаться вне зависимости от того, в каком направлении движется воздух.

Метод «Аттенюатор» (attenuators) (рис. 10). Колебательные движения рычажных механизмов, вызванные волновыми процессами, преобразуются во вращательное движение вала генератора электрической энергии.

Принцип «колеблющегося тела» (point absorber) (рис. 11). Колебательные движения, вызванные волновыми процессами, преобразуются во вращательное движение вала генератора или электромагнитного преобразователя.

Рис. 8. Схема использования метода «Осциллирующая водяная колонна, OWC»

Рис. 9. Общий вид оборудования для использования метода «Осциллирующая водяная колонна, OWC»

Рис. 10. Общий вид оборудования для использования метода «Аттенюатор».

Pelamis волновая электростанция (Scotland) 4 сегмента – 750 кВт, длина – 150 м, ширина – 3,5 м

Рис. 11. Схема реализации и общий вид оборудования для использования метода «колеблющееся тело»

Принцип «перелива» (overtopping) (рис. 12). Устройство содержит резервуар, который заполняется волновым движением. Вода с резервуара сливается на более низкий уровень и вращает турбину.

Рис. 12. Схема реализации и общий вид оборудования для использования метода перелива

Наряду с офшорными конструкциями разработаны и прибрежные переливные электростанции (рис. 13).

Рис. 13. Схема реализации прибрежных переливных электростанций

3. Использование энергии приливов и отливов, морских течений

В прибрежных зонах, где образуются течения за счет приливов и отливов устанавливаются турбины, которые могут вращаться в двух направлениях (рис. 14). На данном этапе наиболее мощно развивается приливно-отливная электроэнергетика в Китае, Южной Корее, Шотландии.

Рис. 14. Схема реализации и общий вид оборудования для использования энергии приливов и отливов, морских течений

Первая промышленная приливная электростанция построена в 1966 г. во Франции на берегу Ла-Манша (рис. 15). Для ее строительства использовано устье реки Ране, где высота прилива достигает 13,5 метров. Длина плотины в 750 метров. Вырабатываемая мощность доходит до 544 млн кВт·ч ежегодно.

Рис. 15. Схема реализации и общий вид промышленной приливной электростанции во Франции на берегу пролива Ла-Манш

Одна из самых мощных в мире приливных турбин (1,2 МВт) построена в Стренгфорд Лаф (Ирландия) (рис. 16). Она состоит из двух парных турбин с диаметром лопастей 16 метров. Весит турбина 300 тонн. Способность вращаться вокруг своей оси позволяет турбине настраиваться на набегающий поток воды при приливе или отливе. Турбина может быть поднята из-под воды для проведения обслуживания.

Энергия морских течений преобразуется в электрическую с помощью погружных турбин (см. рис. 16). Водные турбины работают на том же принципе, что и ветровые. Хотя скорость водных потоков ниже, чем скорость ветра, но благодаря более высокой плотности воды по сравнению с воздухом (в 835 раз выше) водные турбины имеют аналогичную установленную мощность при меньшем размере лопастей.

Рис. 16. Общий вид водных погружных турбин

Аналогично ветровым турбинам, используются и водные турбины с горизонтальной осью вращения (Axial Flow Turbine, требуют ориентации), турбины, работающие в двух направлениях течения (Cross Flow Turbine) и в виде качающихся конструкций (Reciprocating Device) (рис. 17).

Рис. 17. Схема реализации водных турбин с горизонтальной осью вращения

4. Использование в энергетических целях тепла океана и градиента солености

Использование в энергетических целях тепла океана. Tехнология Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC). Для производства электрической энергии используются разность в температуре верхнего и глубинных слоев воды морей и океанов.

Различают следующие варианты технологий OTEC:

1. с закрытым циклом;
2. с открытым циклом;
3. гибридная технология.

Технология с закрытым циклом. В системе используются жидкость с низкой температурой испарения (например, аммиак), которая испаряется в теплообменнике, поглощая энергию нагретых верхних слоев воды (15–24 °С). Пар вращает турбину генератора и конденсируется во втором теплообменнике, охлаждаемом холодной водой из нижних слоев океана (рис. 18, 19).

Рис. 18. Схема реализации технологии ОТЕС с закрытым циклом

Рис. 19. Схема реализации и оборудование технологии ОТЕС с закрытым циклом

Технология ОТЕС с открытым циклом (рис. 20). Система использует теплые воды экваториальной части океана. Вода поступает в контейнер с низким давлением, испаряется, пар вращает турбину генератора с последующим охлаждением холодной глубинной водой.

Рис. 20. Схема реализации и общий вид технологии ОТЕС с открытым циклом

В гибридных системах теплая поверхностная вода поступает в камеру низкого давления, где испаряется (открытый цикл). Пар нагревает жидкость с низкой точкой кипения (закрытый цикл), пар которой вращает турбину (рис. 21).

Рис. 21. Схема реализации и общий вид электростанции ОТЕС с гибридным циклом

Использование в энергетических целях градиента солености. Для получения энергии используется метод, основанный на осмотическом давлении на соленую воду вследствие селективной диффузии пресной воды через мембраны (Pressure Retarded Osmosis (PRO)). Под действием давления вода может подниматься на высоту до 200 м и направляться в турбину генератора (рис. 22).

Рис. 22. Схемы использования в энергетических целях градиента солености

На начало 4 г. установленная мощность электростанций, использующих энергию морей и океанов, составляла 530 МВт.

5. Малая гидроэнергетика, потенциал, технические решения

Развитие малой гидроэнергетики – тенденция будущего, которая пользуется огромной популярностью из-за стремления улучшить экологическую ситуацию в мире. Сооружение и эксплуатация МГЭС не влияет на качество воды, вызывает минимальное затопление местности. Современные мини-ГЭС полностью автоматизированы. Их срок службы составляет примерно 40 лет.

Использование малых гидроэлектростанций является замечательной альтернативой традиционным источникам электроэнергии, особенно, для тех районов, где подключение к централизованной энергосети затруднительно.

Малая гидроэнергетика, потенциал. Расчет энергетического потенциала водотоков осуществляется на основе информации о количестве и мощности водотоков, приведенной в Водном кадастре Республики Беларусь. Для расчета потенциальной энергии Э реки на участке протяженностью L (км), при падении на нем (напор) Н (м) и среднем расходе на этом участке Q (м³/с) в течение времени Т (час) осуществляется с использование эмпирических формул:

где N – мощность, кВт; Т – время, часы; Э – вырабатываемая энергия, кВт·ч.

Таким образом, для расчета валовых гидроэнергетических ресурсов следует знать значения расход воды Q на определенном участке реки и перепад высот H.

При выборе энергетических параметров малой ГЭС, для обеспечения ее надежной и безаварийной эксплуатации, наибольший практический интерес представляет среднемноголетний расход Q_мнг и максимальный паводковый расход Q_макс.

Для определения расчетного расхода Q_макс необходимо иметь значение среднемноголетнего расхода Q_мнг, позволяющего при выбранном значении напора H подсчитать мощность (N) ГЭС. Правильное решение этой задачи важно для определения экономической эффективности малой ГЭС.

Запасы гидроэнергоресурсов Республики Беларусь составляет теоретический потенциал ее рек – около 7,5 млрд кВт·ч в средний по водности год, а его часть, которая путем выработки электроэнергии на ГЭС или иными техническими средствами может быть использована (технический потенциал) – 2,5–3,0 млрд кВт·ч/год. Экономический гидроэнергопотенциал в Республике Беларусь составляет 1,3 млрд кВт·ч/год, или 325 МВт общей установленной мощности возможных ГЭС в условиях Беларуси.

Глобальное производство гидроэлектроэнергии в 4 г. составило 1064 ГВт. Как видно из рис. 23, в топ 10 стран мировых производителей гидроэлектроэнергии входит Китай (около 28 % мирового производства), Бразилия, США, Канада и др.

Рис. 23. Производство гидроэлектроэнергии ведущими мировыми производителями (2016 г.)

Как видно из табл. 1 развитие малой энергетики приносит значительные экономические, технические, экологические и социальные преимущества.

Таблица 1. Преимущества использования малых ГЭС

№ п/п	Факторы	Преимущества
1	Экономические	себестоимость вырабатываемой электроэнергии в 2–2,5 раза ниже, чем на крупных ГЭС; не требует строительства плотин и больших площадей затопления; не отвлекает из хозяйственного оборота плодородные земли; приближенность к потребителю и отсутствие необходимости прокладки дорогостоящих ЛЭП, в том числе в труднодоступных районах; возможность привлечения средств населения, среднего и малого бизнеса; открывает дополнительные возможности для освоения новых территорий; более короткие сроки получения электроэнергии
2	Технические и технологические	не требуется использования большегрузной автотехники, строительства дорог для транспортировки техники и материалов для строительства плотин и т. д.; простота в регулировании режимов эксплуатации; возможность использования при строительстве МГЭС маломощных транспортных средств
3	Экологические	отсутствие зон заполнения и сохранение естественных земельных угодий (без засоления и эрозии), лесов, флоры и фауны; сохранение экологического равновесия; сохранение качества влаги, поступающей для коммунальных нужд и орошения
4	Социальные	электрификация удаленных от основных коммуникаций поселений; создание новых рабочих мест и привлечение рабочей силы на освоение новых и более эффективное использование действующих производств; улучшение социально-бытовых условий населения

По состоянию на 01.08.2017 г. в Беларуси эксплуатировалось 53 ГЭС общей установленной мощностью 95,4 МВт. Наиболее крупные ГЭС: Витебская (40 МВт, 2017 г.) (рис. 24) и Полоцкая (21 МВт, 4 г.). В 2018–2020 годах намечается поэтапный ввод на Днепре и Западной Двине относительно крупных ГЭС: Бешенковичская ГЭС (30 МВт); Оршанская ГЭС (5,7 МВт); Речицкая ГЭС (4,6 МВт); Верхнедвинская ГЭС (20 МВт); Шкловская ГЭС (4,9 МВт).

Рис. 24. Панорамный вид Витебской ГЭС

6. Малая гидроэнергетика, технические схемы и компоновочные решения

Классификация малых ГЭС в зависимости от установленной мощности, принятая в РБ:

• крупные от 10 МВт и выше;
• малые от 1 до 10 МВт;
• мини от 100 кВт до 1 МВт;
• микро менее 100 кВт.

Наибольшая привлекательность установки малых ГЭС заключается в том, что для их работы нет необходимости сооружать крупные гидротехнические объекты.

Схемы малых ГЭС (рис. 25):

1. Плотинная схема – напор создается с помощью плотины. Возможно использование существующих водохранилищ.
2. Деривационная схема – часть стока реки отводится по каналу или трубопроводу.
3. Комбинированная (плотинно-деривационная).

Рис. 25. Схемы малых ГЭС

Плотинная схема создания напора (рис. 26) – это наиболее распространенная схема использования гидроэнергетического потенциала малых водотоков, равнинных малых рек со сравнительно малыми уклонами. Особое влияние на тип и компоновку сооружений, образующих гидроузлы играет величина напора и место расположения здания ГЭС. Напор на гидроустановке создается сооружением плотины перегораживающей реку и подпирающей в ней воду. Водное пространство перед плотиной носит название верхнего бьефа (ВБ), водное пространство ниже плотины называется нижним бьефом (НБ) (рис. 27).

Рис. 26. Схема и общий вид плотинной ГЭС

Рис. 27. Схема расположения плотины и общий вид ГЭС

Плотинная схема может осуществляться в зависимости от типа речной долины равнинной реки и напора в двух вариантах: без выхода подпорного уровня на пойму и с выходом на нее. Первая схема рекомендуется для рек с широкой поймой и глубоко врезанным руслом. В этом случае отметка нормального подпорного уровня назначается так, чтобы при возведении плотины вода не выходила из основного русла реки. Для такой схемы характерны русловая компоновка здания ГЭС с небольшими напорами (от 1,5 до 4,5 м) и небольшая мощность станции (от нескольких сотен до одногодвух тысяч киловатт) (рис. 28).

Рис. 28. Схема (а) и общий вид плотинной ГЭС без выхода подпорного уровня на пойму (б): 1 – здание ГЭС; 2 – водосбросная плотина

На равнинных реках с относительно неширокой глубоко врезанной поймой и слаборазвитым руслом целесообразно создавать ГЭС с водохранилищем сезонного регулирования с затоплением поймы (рис. 29).

Рис. 29. Схема (а) и общий вид плотинных ГЭС с выходом подпорного уровня на пойму (б): 1 – здание ГЭС; 2 – водосбросная плотина; 3 – глухая плотина

Для плотинных ГЭС характерны два основных варианта компоновки сооружений ГЭС – русловые и приплотинные. В русловых ГЭС здание с основным оборудованием расположено в русле реки, в приплотинных – на берегу (рис. 30).

Рис. 30. Общий вид малых ГЭС с русловыми и приплотинными вариантами компоновки сооружений

Деривационная система малых ГЭС. Вода из речного русла отводится деривационным каналом (безнапорная деривация), туннелем или напорным трубопроводом (напорная деривация) к станционному узлу, где за счет естественного понижения местности создается перепад уровней между верхним и нижним бьефами (рис. 31). Деривационные схемы чаще всего используются на горных реках, в конструкциях микро-ГЭС.

Рис. 31. Схема и общий вид реализации малых деривационных ГЭС

При комбинированной схеме напор на ГЭС образуется частично за счет подпора уровня реки плотиной и создания водохранилища, как при приплотинной схеме, и частично за счет деривации, что позволяет при соответствующих природных условиях использовать преимущества обеих схем и можно получить высокие напоры на ГЭС.

В состав ГЭС в зависимости от ее типа входят головной узел, деривация (в деривационных и смешанных ГЭС) и силовой узел. Головной узел представляет собой глухую или водосливную плотину при помощи, которой можно поднять уровень воды в верхнем бьефе до расчетной высоты с целью подачи воды в напорный бассейн ГЭС или в деривацию (рис. 32). Головной узел включает также водоприемник, водосброс и водовыпуск.

Деривация представляет собой группу водопроводящих напорных или безнапорных сооружений (каналы, штольни, трубопроводы и т. д.), при помощи которых вода из реки (водохранилища) подается в напорный бассейн ГЭС (рис. 33).

Рис. 32. Общий вид головного узла малой ГЭС

Рис. 33. Общий вид оборудования деривационной ГЭС

Силовой узел состоит из напорного трубопровода, берущего начало от напорного бассейна и соединенного с турбинами, здания станции и отводящего канала. В здании ГЭС установлены турбины с генераторами и вспомогательным оборудованием (рис. 34).

Рис. 34. Общий вид генераторного оборудования малых ГЭС

Параметры и характеристики малых ГЭС. Основными энергетическими характеристиками малых ГЭС являются:

• расчетный напор;
• расчетный расход;
• установленная мощность и число гидроагрегатов;
• годовая выработка электроэнергии.

Статический напор Н_ст равен разности отметок верхнего (ВБ) и нижнего бьефа (НБ), м:

На ГЭС часть энергии идет на гидравлические потери при движении воды в ее проточном тракте. Расчетный напор Н_р равен минимальному напору, при котором обеспечивается установленная мощность ГЭС. Расчетный расход воды (Q_р, м³/с) определяется исходя из объема воды, протекающей через турбины генератора в единицу времени (при расчетном напоре).

Установленная мощность ГЭС. Установленная мощность одной гидротурбины (N_{уст. г}) рассчитывается исходя из расчетного напора Н_р и расчетного расхода воды Q_р:

где η – коэффициент полезного действия гидроагрегата, равный η = η_т · η_г; η_т и η_г – КПД соответственно турбины и генератора (90–94 %).

Установленная мощность ГЭС будет равна сумме паспортных (номинальных) мощностей (n) генераторов, смонтированных в малой ГЭС, составляет:

и обычно соответствует максимальной мощности, которую может выдать ГЭС.

Годовая выработка электроэнергии малой ГЭС не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от объема стока, поступающего в водохранилище, степени его регулирования и условий эксплуатации ГЭС:

где T_у – число часов использования установленной мощности в году.

Для оценки работы ГЭС в энергосистеме служит условное число часов использования установленной мощности в году Т_у представляющее собой отношение:

где N_у – установленная мощность ГЭС; Э_г – среднегодовая выработка электроэнергии.

Для остропиковых ГЭС Т_у = 2000 ч, а для ГЭС, работающих в полупиковом режиме, Т_у возрастает до 4000 ч. Если ГЭС предназначается для базисной работы, то Т_у составляет обычно 6000–6500 ч. Теоретическим пределом является Т_у = 8760 ч.

Унификация технических решений. Основной направлением сокращения стоимости строительства МГЭС является налаживание системы массового, поточного их строительства. В отличие от крупных ГЭС, не признающих типовых инженерных решений, это позволяют делать технологии, применяемые при строительстве гидроузлов малой мощности. В СНиП 2.06.01-86 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования», где указывается, что при проектировании малых ГЭС необходимо применять унифицированные проекты, учитывающие требования максимальной типизации технических характеристик малых ГЭС, их оборудования и строительной части; высокой заводской готовности технологического оборудования; широкого применения индустриальных строительных конструкций и изделий, местных (грунтовых и каменных) материалов.

Восстановление малых ГЭС. В 1950–1960 годы в республике было построено более 170 небольших ГЭС общей мощностью около 20 МВт с годовой выработкой электроэнергии в средний по водности год 88 млн кВт·ч. Наиболее крупная – Осиповичская ГЭС (проектная мощность 2,2 МВт), возведена на реке Свислочь. В настоящее время часть старых малых ГЭС восстановлена (табл. 2).

Типовой перечень восстановительных работ включает:

1. ремонт плотин (деривационных каналов);
2. ремонт силового узла МГЭС;
3. ремонт или установка нового оборудования ГЭС;
4. ремонт или монтаж новой электрической подстанции и линий электропередач.

Таблица 2. Восстановленные ГЭС Беларуси с участием НПО «Малая энергетика»

Название ГЭС	Год восстановления	Установленная мощность, кВт	Организация, выполнившая работы	Характеристика работ
Клястицкая	1994	700	«Витебскэнерго» «Малая энергетика»	Капитальный ремонт
Гонолес	1994	300	«Малая энергетика» «Минскводоканал»	Восстановление
Жемыславльская	1994	160	«Малая энергетика»	Восстановление
Богинская	1995	400	БЭРН	Восстановление
Лохозвинская	1995	100	«Малая энергетика»	Восстановление
Гомельская	1996	250	«Малая энергетика»	Восстановление
Тетеринская	1996	600	БЭРН	Капитальный ремонт
Войтовщизна	1997	220	«Малая энергетика»	Капитальный ремонт
Лукомльская (2 оч.)	2000	150	«Малая энергетика» «Лукомльэнергомонтаж»	Новое строительство
Дубровская	2001	110	«Минскмелиоводхоз»	Новое строительство
Новосёлковская	2002	100	«Гродноэнерго «Малая энергетика»	Восстановление
Лепельская	2003	320	«Малая энергетика» «Лукомльэнергомонтаж»	Восстановление
Селявская	2003	110	«Малая энергетика» «Лукомльэнергомонтаж»	Восстановление
Васьковцы	2005	75	«Малая энергетика» «Молодечненские электросети»	Восстановление

Строительство МГЭС на неэнергетических гидроузлах. На территории Беларуси расположено 153 водохранилища с общей площадью зеркала 822 км² (наиболее крупные Вилейское и Заславское). Большинство водохранилищ построены без ГЭС и предназначены для орошения земель, водоснабжения населения и промышленности. Создаваемые плотинами гидроузлов таких водохранилищ напор и попуски в нижний бьеф могут быть использованы для выработки электроэнергии.

Пристройка малой ГЭС к неэнергетическим водохранилищам обеспечит повышение эффективности комплексного использования водных ресурсов, уменьшит или полностью исключит затраты на создание напорного фронта, водохранилища, водосборных сооружений, на переустройство нижнего бьефа, основание стройплощадки (прокладка дорог, электроснабжение строительства) и др. Малые ГЭС мощностью более 100 кВт могут устанавливаться на водохранилищах объемом больше 10 млн м³ и составляют значительное число водохранилищ Республики Беларусь (рис. 35).

Рис. 35. Общий вид ГЭС на неэнергетическом гидроузле

Малые ГЭС, сооружаемые при водохранилищах неэнергетического назначения, будут работать в режиме попусков в нижний бьеф, подчиненных требованиям основных водопользователей. Водохранилища, предназначенные для коммунально-бытового и промышленного водоснабжения в нижнем бьефе, характеризуются круглогодичным режимом попусков, поэтому МГЭС, пристраиваемые к таким водохранилищам, будут иметь относительную высокую, причем гарантированную в меженный период, мощность и значительное число часов ее использования (6000–7000).

Снижение уровней верхнего бьефа, следовательно, и напора, на ряде гидроузлов по отношению к максимальному достигает 50–60 %. Эффективное использование гидроэнергетического потенциала таких водохранилищ возможно по таким схемам:

• применение многоскоростных турбин, соединяемых с генератором через редуктор с постоянной частотой вращения;
• применение многоскоростных генераторов;
• установка на одной ГЭС турбин, рассчитанных на разные напоры.

7. Оборудование малых ГЭС

Оборудование МГЭС по функциональному назначению делится на несколько групп.

Гидросиловое оборудование – это гидротурбины и гидрогенераторы (на ГАЭС – обратимые гидромашины и двигатель-генераторы).

Вспомогательное оборудование необходимо для обеспечения работы гидросилового оборудования. К нему относятся системы технического водоснабжения, пневматического хозяйства, масляного хозяйства, осушения и т. п.

Механическое оборудование включает в себя затворы, сороудерживающие решетки, грузоподъемные механизмы, краны для обслуживания гидротурбин и гидрогенераторов.

Электротехническое оборудование – электрическая часть генераторов, повышающие трансформаторы, коммутационная аппаратура: шинные, воздушные и кабельные токопроводы, система релейной защиты, автоматики, телеуправления, связи.

Санитарно-техническое оборудование, обеспечивающее отопление, вентиляцию, пожаротушение, водоснабжение и канализацию.

Гидравлическая турбина (гидротурбина) – это двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения (рис. 36). Турбина служит приводом для электрического генератора (гидрогенератора). Роторы гидротурбины и гидрогенератора, как правило, посажены на единый вал, имеющий общую систему опор вращающихся частей. Такое объединение образует сложную машину, называемую гидроагрегатом.

а                                                                                                            б

Рис. 36. Схема расположения (а) и общий вид (б) гидротурбины: 1 – водохранилище; 2 – затвор шлюза; 3 – трансформатор; 4 – генератор; 5 – гидротурбина

В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Френсиса вращение колеса осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90° (рис. 37). Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины.

По конструктивным признакам реактивные турбины подразделяются на радиально-осевые (см. рис. 37, а), пропеллерные (б), поворотно-лопастные (в) и диагональные (г, д).

Рис. 37. Общий вид рабочих колес реактивных турбин

По конструктивным признакам активные турбины подразделяются на ковшовые и двукратные (рис. 38).

Для малых ГЭС с напорами от 1 до 40 м чаще всего применяются поворотно-лопастные и пропеллерные турбины. Поворотно-лопастная турбина (рис. 39) отличается от пропеллерной тем, что лопасти ее рабочего колеса не закреплены неподвижно, с помощью специального механизма, находящегося внутри втулки рабочего колеса, лопасти могут поворачиваться. Это позволяет регулировать скорость вращения турбины при изменении напора воды (в зависимости от времени года, погодных условий (засуха, наводнение)).

Рис. 38. Общий вид ковшовых и двукратных активных турбин

Рис. 39. Конструктивные решения поворотно-лопастных турбин

В состав гидротурбины входит гидрогенератор – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую. На малых ГЭС применяются в качестве генераторов синхронные машины трехфазного переменного тока (рис. 40).

Затворы малых ГЭС (рис. 41). В зданиях ГЭС и водоприемниках затворы применяются для перекрытия водопропускных отверстий и регулирования пропускания расхода воды.

Рис. 40. Общий вид генераторов малых ГЭС

Рис. 41. Общий вид затворов малых ГЭС

По функциональному назначению можно выделить:

• основные (рабочие) затворы предназначены для регулирования расходов;
• аварийные затворы применяются в случае аварии с основным затвором, при потере регулирования или повреждении турбины, разрыве водовода;
• ремонтные затворы устанавливают при выравненных уровнях воды перед затвором и за ним для перекрытия отверстий с последующим осушением водоводов при плановых ремонтах.

МикроГЭС – один из наиболее ранних видов ГЭС в истории развития гидроэнергетики. Созданная в 1940-е годы номенклатура гидротурбин включала все основные типы, применявшиеся в гидроэнергетике, радиально-осевые, пропеллерные, ковшовые. Как и для малых ГЭС, применительно к различным природным условиям можно выделить два типа микроГЭС: реализующие потенциальную энергию и реализующие кинетическую энергию водотока. Примерами первого типа являются микроГЭС с традиционным оборудованием, русловые либо деривационные, а также рукавные малые переносные гидроэлектростанции (разновидность деривационных).

МикроГЭС кинетического (активного) типа устанавливаются непосредственно в водотоке. Примерами их являются разработанные и применявшиеся гирляндные ГЭС конструкции Б. С. Блинова, штанговая плоскопараллельная и плоскоподъемная М. И. Логинова и др. (рис. 42).

Рис. 42. МикроГЭС кинетического (активного) типа

Примером микроГЭС напорного типа (реактивные) является гидротурбина МГА-1-0,25 (НПО «РАНД» (РФ)) (рис. 43).

Экономические характеристики малых ГЭС. К экономическим преимуществам малой гидроэнергетики, по сравнению с электростанциями на органическом топливе, можно отнести низкую себестоимость электроэнергии и эксплуатационные затраты, относительно недорогую замену оборудования, более длительный срок службы ГЭС (40–50 лет), комплексное использование водных ресурсов (электроэнергетика, водоснабжение, мелиорация, охрана вод, рыбное хозяйство).

Инвестиционные затраты ГЭС в Республике Беларусь (>10 МВт) оцениваются в диапазоне от 5000 до 6000 $ за 1 кВт установленной мощности и в среднем составляли около 4000 $ за 1 кВт (в Беларуси – около 6000 $). Средняя стоимость 1 кВт·ч электроэнергии, выработанной на МГЭС в Европе, составляла около 0,03 $. Себестоимость выработки электроэнергии ГЭС в Республике Беларусь в среднем составляет 0,07 $ (50 % – аренда земли).

Рис. 43. Конструкция и общий вид микроГЭС на базе гидротурбины МГА-1-0,25

Удельные затраты на строительство малых гидроэлектростанций при их индивидуальном проектировании и возведении часто могут превышать удельные затраты на строительство крупных ГЭС. Вместе с тем опыт проектирования и строительства различных малых гидроузлов все же позволяет говорить о возможности значительного снижения удельной стоимости вводимых мощностей при условии типового проектирования, унификации оборудования, применения местных материалов.

В странах Евросоюза, в том числе и нашей стране, принимая во внимание эти факторы, расширяют использование гидроэнергетических ресурсов малых рек.