Конструктивні види малих ГЕС

Розрізняють два конструктивні види малих гідроелектростанцій:

- які працюють завдяки створенню напору за рахунок різниці рівнів води у водяному потоці;

- які використовують енергію швидкості води без створення напору.

Для практичного використання в основному використовують станції першого типу. Для використання енергії річки необхідно зменшити опір руху води і сконцентрувати її енергію в одній або декількох точках, піднявши в цих точках її рівень і створивши, таким чином, напір. Для цього треба зменшити похил поверхні річки на одній із її ділянок. При зменшенні похилу поверхні річки рівень у ній починає підніматися проти натурального початкового значення, і в кінці ділянки, наміченої для використання, створюється різниця рівнів, або напір.

Залежно від способу створення напору гідроелектростанції діляться на три основні типи: пригреблеві, дериваційні і змішані.

У свою чергу пригреблеві гідроелектростанції поділяються на пригреблево-заплавні, або заплавні, і пригреблево-руслові, або руслові. При створенні напору у заплавних ГЕС водою заливається заплава, в руслових установках напір не виходить за межі русла.

Заплавні гідроелектростанції найчастіше будуються на рівнинних річках із невеликим похилом і сповільненою течією води. Гребля гідроелектростанції перетинає течію річки (рисунок 4.7.6) і дозволяє підняти рівень води в ній. При цьому вище греблі утворюється водосховище, в якому накопичуються значні запаси води. Водосховище можна використовувати для регулювання стоку: в ньому можна накопичувати воду в багатоводні періоди року, під час повені, і використовувати її в маловодні періоди. Таке регулювання є сезонним, і його можна здійснювати при достатньо великих розмірах водосховища. Електричні навантаження протягом доби значно змінюються, а витрати води в річці практично залишаються постійними. Тому для кращого використання енергії води застосовують добове регулювання стоку: накопичують воду у водосховищі в період невеликих електричних навантажень, а використовують у часи максимальних навантажень. Залежно від умов може бути багаторічне, місячне і тижневе регулювання стоку.

Рисунок 4.7.6 - Заплавна гідроелектростанція

Заплавна гідроелектростанція складається з греблі, завдяки якій створюється напір, зі споруди, в якій встановлюються турбіни та електричне обладнання, з водозабірної споруди, через яке надходить вода до турбін, і з відвідного каналу, по якому відводиться вода до русла річки нижче греблі.

Гребля звичайно складається з двох складових: водопропускної частини для пропускання надлишку води в періоди повеней та льоду в часи льодоходу і глухої частини, що закриває частину заплави для підтримання води на заданому рівні.

Розмір водопропускного отвору повинен забезпечувати проходження надлишку води в часи весняних та літніх паводків і розраховуватися на пропуск максимальної витрати води. Якщо ширина пойми велика, водопропускний отвір займає тільки частину її ширини, в частині, що залишилася, будується більш дешева глуха гребля, через яку вода не повинна переливатися. При дуже вузькій ширині пойми глуха частина греблі може бути відсутньою і через всю пойму будується тільки водопропускна частина.

Споруда ГЕС може розташовуватися за греблею і на лінії греблі. Якщо вона розташована за греблею, то буде більш простою і дешевшою, бо не буде витримувати тиск води з водосховища. Якщо напір менше 8-10 м, то споруда ГЕС, у більшості випадків є частиною греблі. Таке будівництво буде більш складним і дорожчим.

Недоліком заплавних гідроелектростанцій є відносно висока вартість гідротехнічних споруд, значні площі затоплень, тому при великих напорах і широких долинах такі конструкції малодоцільні.

На річках зі значною шириною пойми і малих схилах широко розповсюджені руслові гідроелектростанції (рисунок 4.7.7).

При створенні напору тільки в межах русла виключається затоплення прилеглих берегів долини, пойми і населених пунктів. У деяких випадках створення напору в глибокому вузькому руслі діє навіть благотворно на прилеглі ділянки землі, дозволяючи зрошувати лугові землі і пасовища.

Руслові гідроелектростанції будуються двома способами. При першому способі гребля і споруда ГЕС розташовуються в одну лінію, тобто споруда ГЕС є частиною греблі.

При другому способі споруда руслової ГЕС будується на обводнювальному каналі, прокладеному на пойми в обхід греблі. Такі канали в більшості випадків використовуються для спрямлення

Рисунок 4.7.7 - Руслова гідроелектростанція

згинів річки. Гребля в цьому випадку будується в руслі річки окремо від споруди ГЕС.

Руслова гребля збільшує глибину води в річці, при цьому площа водного дзеркала води практично не міняється. Об’єми води, що збираються у водосховищі руслової греблі, невеликі і тому можливості перерозподіляти природний стік води обмежені. Для руслових схем можливе тільки добове регулювання, що затрудняє експлуатацію гідроелектростанції і потребує необхідність регулювання споживання електричної енергії.

Перевагами руслової гідроелектростанції порівняно із заплавною є практична відсутність затоплення і відносно менша вартість споруд. До недоліків можна віднести необхідність зупиняти електростанцію на період проходу паводків, а також обмежені можливості регулювання стоку.

Будівництво греблі, особливо при значних напорах, є одним із дорогих способів отримання напору. Створити напір більш дешевим способом можливо за допомогою дериваційних споруд, до яких належать: канали, штольні, тунелі і трубопроводи. В усі ці споруди вода потрапляє з річки через водозабірні пристрої і транспортується вздовж річки на деяку відстань. При цьому поверхні води в цих спорудах дається менший уклін, ніж має поверхня води в річці, і тому в кінці споруди утворюється напір, який і використовується для турбін.

На рисунку 4.7.8 показано схему отримання напору при дериваційних схемах гідроелектростанцій. Дериваційна схема тим доцільніша, чим більше поздовжній схил річки.

Рисунок 4.7.8 - Дериваційна гідроелектростанція

Дериваційні гідроелектростанції існують двох типів. Перший тип являє собою прокладення каналу або тунелю вздовж схилу долини річки, що має значний уклін і велику швидкість течії. В споруді вода буде мати значно меншу швидкість течії, ніж у річці, за рахунок чого утворюється напір. На річках, що мають звивисту долину, можливий другий тип гідроелектростанцій. Спрямляючи окремі звиви річки каналом, можна також отримати значні напори.

Дериваційні споруди повинні мати розміри, достатні для пропускання такої кількості води, якої необхідно для роботи турбіни, тобто їх розміри є порівняно невеликими.

Дериваційні гідроелектростанції зовсім не мають греблі або мають на початку дериваційних споруд невелику греблю, яка має призначення для направлення води в канал чи тунель. Відсутність греблі, а значить, і створюваного греблею водосховища роблять практично неможливим регулювання стоку дериваційними гідроелектростанціями. В деяких випадках будують спеціальні басейни регулювання, які розташовують уздовж схилу долини.

Перевагами дериваційної схеми, порівняно з пригреблевою є повна відсутність затоплення та менша вартість будівництва.

Для здійснення переваг пригреблевих і дериваційних гідроелектростанцій будують змішані (пригреблево-дериваційні) станції. В змішаній ГЕС напір створюється як греблею, так і дериваційними спорудами, що розташовуються нижче греблі (рисунок 4.7.9). Використання водосховищ у верхів’ях річок або на притоках забезпечить регулювання стоку води.

Рисунок 4.7.9 — Пригреблево-дериваційна гідроелектростанція

Інтерес становить руслова дериваційна гідроелектростанція [2], схему конструкції якої показано на рисунку 4.7.10 а.

Рисунок 4.7.10 - Руслова дериваційна гідроелектростанція а - принцип утворення напору; б - вивід труби на берег

В руслі річки 1 зі значним перепадом висот за течією кінцем А розміщується занурена в річку труба 2 великого діаметра. Другий
кінець Б виводиться вертикально вверх у місці очікуваної греблі З, при цьому висота кінця труби Б трохи нижче, ніж висота А входу в трубу. Вода, що витікає з кінця труби Б, падає на турбіну 4 з послідуючим виробленням електричної енергії (умовна лінія 5 визначає напір гідроелектростанції). Для поліпшення умов будівництва та експлуатації ГЕС верхній кінець труби Б виводиться на берег (рисунок 4.7.10 б).

До особливого типу гідроелектростанцій слід віднести плавучі або безгреблеві станції, для яких характерна відсутність будь-якого гідротехнічних споруд. Енергія течії води з успіхом може бути перетвореною за допомогою мікро-ГЕС в електричну енергію для живлення численних індивідуальних споживачів. Наприклад, при швидкості течії річки 2-3,5 м/с і розмірах гідротурбіни всього

2,5 х 2,5 м потужність установки може становити 5-10 кВт. Цього загалом досить для забезпечення побутового господарства (поливу присадибної ділянки, обігріву будинку, теплиці тощо).

г)

Як основний елемент застосування кінетичної енергії потоку використовується водяне колесо, при цьому розрізняють конструкції, в яких водяне колесо розташовується на поверхні річки і занурене в річний потік. Схеми таких конструкцій подано на рисунку 4.7.11.

б)

8)

Рисунок 4.7.11 - Конструкції використання водяного колеса

а) - звичайне колесо; б) - колесо зі стрічкою на плавучій основі:

в) - колесо зі стрічкою в товщі потоку;

г) - колесо зі стрічкою з лопатями, що складаються

В зануреній конструкції водяний генератор гідроелектростанції може підвішуватися до понтона таким чином, що колесо генератора
опускається в річку, а вода, що протікає, є джерелом отриманої електричної енергії (рисунок 4.7.12). Потужність таких установок невелика, вони можуть бути встановлені в річці, глибина якої - не менше 2-3 м, а швидкість течії - не менше 1 м/с.

Рисунок 4.7.12 - Плавуча гідроелектростанція

Конструктивне виконання одного з видів таких установок показано на рисунку 4.7.13.

Рисунок 4.7.13 - Конструкція плавучої мікро-ГЕС 1 - лопаті; 2 - вал; 3 - гнучка передача; 4 - редуктор; 5 - електрогенератор; 6 - платформа; 7 - понтон

При швидкості течії 1,5-2,5 м/с і більше вода діє на лопаті гідротурбіни, яка обертається з подальшим виробленням електричної

енергії. Потужність такої гідротурбіни при діаметрі і висоті 2 м становить 5 кВт.

Дану гідротурбіну можна також використати для водопостачання з річки в будинок. В цьому випадку момент обертання від турбіни передається на вал поршневого насоса, вода на берег подається по трубах.