Технологические особенности гидроэлектростанций, работающих без речного потока

Борясь за чистоту атмосферы, за уменьшение выбросов при сжигании углеродистого топлива, технический мир создает множество разработок в области альтернативной энергетики. Одно из направлений этой деятельности — гидроэлектростанции различных по конструкции и условиям эксплуатации типов. Традиционные ГЭС не могут работать без воды и ее напора: чем выше напор и больше расход воды, тем мощнее гидроэлектростанция. Поэтому ГЭС строятся только на реках, а чтобы создать напор, надо возводить плотину, создавать водохранилище и сопутствующие гидротехнические сооружения. Даже для маломощных ГЭС (микро и мини) нужна плотина. Конечно, если есть хотя бы небольшая речка, можно подобрать большое количество малых гидростанций, но о них отдельный «разговор». Однако и там, где нет возможности строить ГЭС из-за отсутствия рек, могут использоваться другие методы вырабатывания электричества. В основном это сжигание различного топлива (ТЭЦ), дизель-генераторы, бензиновые генераторы, ветроэлектростанции, комбинированные системы или АЭС.

А нельзя ли построить ГЭС «без привязки» к потоку реки? Оказывается, можно. И вариантов здесь достаточно много, нужно только опытным путем найти наиболее технологичный и дешевый из них. Еще раз напоминаем, что речь идет о вариантах малой гидроэнергетики (варианты мини-ГЭС, работающих без речного потока), хотя этот метод получения энергии подойдет и для электрических станций мощностью от 1000 кВт. Однако цель — обеспечить доступным и дешевым электричеством отдаленных от центра потребителей, без проводки линий электропередач с их опорами, завоза топлива и при отсутствии рек.

ГЭС на энергии взрывной волны.

Если для мини-ГЭС (ее гидротурбины) нужна вода и напор, то сделать станцию не сложно. Главное — найти способ подачи достаточного напора воды на гидротурбину и создать постоянную циркуляцию ее. Мы решили использовать силу взрывной волны в воде, сосредоточив и направив ее на лопасти гидротурбины (турбины можно использовать традиционные, но лучше создавать для каждой мини-ГЭС свою).

Рассмотрим одиночный энергоблок, состоящий из корпуса в виде железобетонного или металлического цилиндра, заполненного водой, на дне которого размещено устройство с направляющим соплом, причем сама взрывная камера (пока представляет ноу-хау) выведена за пределы цилиндра. Диаметр цилиндра (в данном варианте) 80 — 120 см, высота около двух метров, а в районе 1,5 м крепится гидротурбина с особой конструкцией лопастей, ось которых выходит на крышку цилиндра, где связана через редуктор с генератором тока. Работает устройство следующим образом.

С заданной периодичностью в камере взрывается расчетное количество взрывного вещества (ВВ). Взрывная волна жидкости (вода) по стволу выходит через сопло в заполненный водой цилиндр и вращает лопасти турбины, а та, в свою очередь, через редуктор вращает гидрогенератор. Главное — рассчитать вес ВВ для создания волны, а не всплеска воды. Если это одиночный энергоблок, то в верхней части цилиндра устраивается расширитель для гашения взрывной волны. Также важно рассчитать и периодичность взрывов, они должны идти в таком ритме, чтобы волна, действующая на лопасть, не имела больших перерывов и вращала лопасти с постоянной скоростью. Управлять работой подобных ГЭС может компьютер.

Мощность подобной мини-ГЭС примерно должна быть до 30 кВт. В зимнее время в цилиндре должна быть незамерзающая жидкость или соленая (морская) вода. Из этих гидроэнергоблоков можно создать более крупную гидростанцию, соединив их в кассету. В этом случае вода заполняет весь кассетный блок, а цилиндры у донной своей части имеют отверстия для свободной циркуляции воды. Подобная ГЭС, диаметром около 6 метров и высотой 2 — 2,5 метра с шестью энергоблоками, уже может иметь мощность до 300 кВт.

Стоит сказать, что для создания взрывной волны не обязательны твердые ВВ. Можно использовать другие виды носителей энергии, способные создать волну. Взрывчатые вещества мы включили в разработку только потому, что оборонная промышленность утилизирует очень много боеприпасов. Мощную гидростанцию можно создать и с традиционным напором воды на рабочие турбины, но с замкнутым циклом водоподачи, с помощью той же взрывной волны. Опыт и расчеты показали, что 50 граммов ВВ могут «подать» 1 тонну воды на высоту до 8 метров. Этот вариант требует опытных экспериментов по подбору соотношений диаметров напорных трубоводов и труб, подающих воду в верхний бассейн. Такие гидростанции (мини-ГЭС) могут обеспечить электроэнергией далекие поселки и предприятия в аварийных ситуациях на центральных линиях электропередач.

Бесплотинная гидроэлектростанция с промежуточным резервуаром.

Задачей изобретения является определение основных конструктивных соотношений параметров, обеспечивающих экономическую эффективность строительства и эксплуатации напорных деривационных ГЭС.

Поставленная задача обеспечивается тем, что бесплотинная ГЭС содержит водозабор в реке, питающий напорный водовод от водозабора до резервуара. Последний в данном случае представлен в виде башни с цилиндрическим гасителем во внутренней полости резервуара, при этом длина питающего напорного водовода (L) определяется отношением проектной высоты (Н) напора воды в башне к среднему уклону (i) на используемом участке реки (выше течения). Площадь поперечного сечения промежуточного резервуара-башни должна быть не менее четырехкратной величины площади поперечного сечения питающего напорного водовода (независимо от количества нитей). Причем общая площадь поперечного сечения водовыпусков из резервуара на лопасти гидротурбин не должна превышать общей площади сечения питающих напорных водоводов.

Пропускная способность питающего напорного водовода (или водоводов) рассчитана из условия пропуска минимального среднегодичного расхода реки. Трубчатые водовыпуски в здании ГЭС обеспечивают подачу воды из промежуточного резервуара на гидротурбины (ноу-хау), причем общая площадь поперечного сечения трубчатых водовыпусков не должна превышать площади сечения питающего водовода.

Работает устройство следующим образом. Вода, поступающая по питающему напорному водоводу (или нескольким водоводам) от водозабора, расположенного выше по реке, в промежуточный резервуар-башню, выходит из него в устойчивом режиме благодаря гасителю. Затем по трубчатым водовыпускам попадает на лопасти гидротурбин. Гидротурбины могут быть вынесены в отдельно стоящий машинный зал.

Заявленное предложение имеет следующие новые технические результаты: гидроэлектростанция взрывной напорный.

• — при значительно меньшей, по сравнению с плотинными ГЭС, стоимости обеспечивается стабилизация, с одной стороны, колебания уровней воды в реке в месте выхода отводящей деривации и, с другой стороны, выравнивание потоков воды, поступающих на лопасти гидротурбины из промежуточного резервуара-башни;
• — отпадает необходимость в строительстве котлованов и плотин, а также шлюзов и рыбопропускников. Главное — нет надобности в затоплении территории, что необходимо при возведении любых плотин.

Подобные башенные ГЭС могут размещаться где угодно вдоль рек, по обоим берегам или вдали от них, в ущельях горных потоков или на берегах морей и даже на искусственных островах и атоллах, лишь бы удобной и недорогой была прокладка напорных водоводов к зданиям ГЭС, которые могут, в целях экономии и защиты, размещаться вдоль берега или в русле реки. Башня и гаситель выполняются из цилиндрических конструкций методом «мокрого набрызга» (торкрета) в непосредственнойNord Профи (629) 3 года назад.

Атомные электростанции — преимущество в мощном энергетическом потенциале, высоком КПД, экологически практически чистые (не имеют выбросов в окружающую среду), очень долго могут работать на одной загрузке ядерного топлива. Недостатки — при аварии АЭС — радиоактивное загрязнение окружающей среды продуктами ядерного топлива, проблема захоронения отработанного ядерного топлива (атомные могильники), дороговизна строительства и обслуживания АЭС (необходим высококвалифицированный персонал).

Гидроэлектростанции — преимущество — не требует никаких видов топлива, быстрая самоокупаемость, относительная простота эксплуатации, экологически чистая для атмосферы (не имеет выбросов). КПД выше, чем у тепловых, но ниже чем у атомных ЭС. Недостатки — тепловые выбросы в реку, шум, искусственное регулирование уровня воды в реке, изменение ихтиофауны водоема (вплоть до ее уничтожения), затопление территорий для создания необходимого напора (создание искусственных водоемов), опасность прорыва плотин и дамб, изменение микроклимата.

Преимущества атомных электростанций (АЭС) перед тепловыми (ТЭЦ) и гидроэлектростанциями (ГЭС) очевидны: нет отходов, газовых выбросов, нет необходимости вести огромные объемы строительства, возводить плотины и хоронить плодородные земли на дне водохранилищ. По сравнению с отходами от использования ископаемого топлива, радиоактивные отходы, получающиеся в связи с производством ядерной энергии, просто поразительно малы. Было доказано, что если типичная семья из четырех человек использует ядерную энергию для всех своих потребностей, то отходы, образующиеся в течение всей жизни, могут быть размерами с мяч для гольфа. Пожалуй, более экологичны, чем АЭС, только электростанции, использующие энергию солнечного излучения или ветра. Но и ветряки, и гелиостанции пока маломощны и не могут обеспечить потребности людей в дешевой электроэнергии — а эта потребность все быстрее растет.