НиВИЭ_2-3._Гидроэнергетика
.pdf
Курс «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»
Тема 2. Гидроэнергетика
1
Водные и гидроэнергетические ресурсы РФ
Речной сток России составляет 4200 км3 воды в год (около 30 тыс. м3 на душу населения),
Основная часть стока расположена в Западной и Восточной Сибири и поступает в Северный Ледовитый океан и Тихий океан
Перспективны для освоения гидроэнергетические ресурсы Кольского полуострова, Карелии, республики Коми.
Экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов – это та часть общих ресурсов, которая может быть реализована путем выработки электроэнергии на ГЭС.
В России экономический потенциал равен примерно 850 млрд кВт.ч/год освоен приблизительно на 13%
(в Канаде – на 42%, в США – на 45%, в Норвегии – на 60%, в Швейцарии – на 95%).
В целом по миру экономический потенциал гидроэнергетики освоен на 16%.
2
1
Гидроэнергетические ресурсы малых рек по регионам России
|
Экономический |
Валовые |
Технические |
Экономические |
|
район |
ресурсы, |
ресурсы, |
ресурсы, |
|
|
млрд. кВт∙ч/год |
млрд. кВт∙ч/год |
млрд. кВт∙ч/год |
|
|
|
|
|
|
Северо-Западный |
81,6 |
31,5 |
24,1 |
|
|
|
|
|
|
Центральный |
8,2 |
3,0 |
2,0 |
|
|
|
|
|
|
Волго-Вятский |
3,4 |
1,3 |
0,9 |
|
|
|
|
|
|
Центрально- |
1,5 |
0,6 |
0,3 |
|
Черноземный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поволжский |
21,5 |
10,4 |
5,5 |
|
|
|
|
|
|
Северный Кавказ |
37,5 |
19,3 |
11,5 |
|
|
|
|
|
|
Уральский |
34,6 |
17,2 |
11,5 |
|
|
|
|
|
|
Западная Сибирь |
74,6 |
24,6 |
2,5 |
|
|
|
|
|
|
Восточная Сибирь |
390,8 |
128,4 |
66,8 |
|
|
|
|
|
|
Дальний Восток |
452,0 |
146,0 |
65,4 |
|
|
|
|
|
3 |
Россия в целом |
1105,6 |
382,3 |
200,5 |
|
|
|
|
|
Классификация малых ГЭС
По назначению, режиму работы и расположению в общей схеме электроснабжения потребителей
Системные
Автономные
По напору
Низконапорные Н < 20 м
Средненапорные Н = (20 – 100) м
Высоконапорные Н > 100 м
По схеме
Плотинная
Деривационная
Комбинированная (плотинно-деривационная)
По установленной мощности делятся на
Крупные
Средние
Малые
Мини
Микро
4
2
Классификация малой ГЭС по установленной мощности (МВт)
|
|
|
Страны и организации |
|
|
||
Категория |
|
|
|
|
|
|
|
Итальянский |
|
|
Новая |
|
Австрия, |
|
|
ГЭС |
|
|
|
|
|||
Национальный |
ОЛАДЭ |
Россия |
|
Испания, Индия, |
Япония |
||
|
Зеландия |
|
|||||
|
комитет |
|
|
|
Канада, Франция |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Малые ГЭС |
5 |
10 |
30 |
30 - 50 |
|
5 |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Мини-ГЭС |
0,5 |
1 |
1 |
10 |
|
2 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
Микро-ГЭС |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
1 |
|
0,1 |
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
N гэс 9,81QГЭСH гэс Т ЭГ
где Q – расход воды через гидротурбину, м3/с,
Hгэс – напор воды, подведенный к гидротурбине, м, ηэг – КПД электрогенератора,
ηт – КПД гидротурбины.
5
Мощность ГЭС
Установленная мощность ГЭС - электрическая номинальная мощность всех агрегатов
Рабочая мощность ГЭС - мощность, с которой ГЭС в текущий момент участвует в обеспечении потребностей потребителей
Располагаемая мощность ГЭС - мощность, которую можно получить в текущий момент на ГЭС
Суммарные потери мощности учитываются ηт
( ηт = 0,85…0,9).
Гидравлические потери |
Объемные потери |
Механические |
связаны с вязким трением |
обусловлены перетеканием |
потери |
и вихреобразованием при |
некоторого объема |
связаны с |
течении воды через |
жидкости через зазоры |
трением в |
турбину |
между лопастями турбины и |
подшипниках |
6 |
стенками статора агрегата |
|
3
Гидротурбина
- это лопаточная машина, приводимая во вращение потоком жидкости преобразование потенциальной энергии воды гидроузла в механическую
энергию, передаваемую электрогенератору
реактивные – |
активные – |
энергия давления и кинематическая энергия |
кинематическая энергия |
Ось вращения гидравлические турбины
вертикальная
горизонтальная
наклонная
7
Маркировка турбин
1. Вид (система) турбины.
ПЛ – поворотно-лопастная осевая
Д – диагональная
ПЛД – поворотно-лопастная диагональная ПЛК – поворотно-лопастная капсульная
РО – радиально-осевая
Пр – пропеллерная осевая
ПрД – пропеллерная диагональная
К – ковшовая
8
4
Маркировка турбин
2. Тип турбины
Конкретный выбор системы и типа турбины производиться по величине максимального напора. При этом должно выполняться условие
|
Hmax Hпред |
||
Максимальный |
|||
|
Предельный максимально |
||
напор |
|
||
|
допустимый напор для |
||
|
|
||
|
|
выбранного типа турбин |
|
3. Компоновка.
Определяется положением вала агрегата (осью вращения) вертикальной (В)
горизонтальной (Г).
с наклонной осью вращения (на малых ГЭС)
4. Номинальный диаметр турбины D1
для ПЛ и Д – диаметр турбин определяется камерой рабочего колеса для РО – турбин – по входным кромкам лопастей рабочего колеса
9
Турбина гидравлическая ХХ ХХ - ХХ - Х - Х
Обозначение системы гидротурбин
(ПЛ, РО, К и т.д.)
Предельный напор, при котором гидротурбина может работать, м
(если после обозначения системы турбины стоит дробь, то в знаменателе указывается тип проточной части, например, №№810, 548 и т.п.)
Расположение вала гидротурбины
(В – вертикальное, Г – горизонтальное)
Дополнительные признаки системы гидротурбин
(К – капсульная; 4, 6 и т.д. – число сопл ковшовой турбины гидротурбины; М
– металлическая или Б – бетонная спиральная камера; л – угол наклона лопастей рабочего колеса, диагональной турбины, град.)
Типоразмер турбины (номинальный диаметр рабочего колеса, D1)
10
5
Проекты строительства малых ГЭС Источник: www.cleandex.ru - 18.03.2008
|
|
Установлен- |
Средне- |
Объем |
Период |
Этап |
|
|
|
ная |
годовая |
инвестиций* |
|||
Регион |
Название МГЭС |
окупаемости*, |
реализации |
||||
мощность, |
выработка, |
(вкл. НДС), |
|||||
|
|
лет |
проекта |
||||
|
|
МВт |
млн. кВт·ч |
млн. руб***. |
|||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Разработка |
|
|
Адыр-Су МГЭС |
24.5 |
92.5 |
1 112** |
9 |
обоснования |
|
|
|
|
|
|
|
инвестиций |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Разработка |
|
Кабардино- |
Зарагижская МГЭС |
15.0 |
65.5 |
921** |
8 |
обоснования |
|
|
|
|
|
|
инвестиций |
||
Балкарская |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
Республика |
|
|
|
|
|
Разработка |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Верхнебалкарская МГЭС |
14.7 |
76.0 |
546 |
7 |
обоснования |
|
|
|
|
|
|
|
инвестиций |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Адыл-Су МГЭС-1 и МГЭС-2 |
14.4 |
60.3 |
714** |
10 |
Разработка |
|
|
(двухступенчатый каскад) |
ТЭО |
|||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Республика |
Курминская МГЭС |
15.0 |
57.5 |
624 |
9 |
Разработка |
|
Дагестан |
ТЭО |
||||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Проект |
Шиназская МГЭС |
1.4 |
7.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
строительства |
|
|
|
|
|
Строительно- |
|
|
|
|
|
|
|||
трех МГЭС в |
Аракульская МГЭС |
1.4 |
6.0 |
171 |
8 |
монтажные |
|
Южном |
|
|
|
|
|
работы |
|
|
|
|
|
|
|||
Дагестане |
Амсарская МГЭС |
1.0 |
4.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Республика |
|
|
|
|
|
Разработка |
|
Северная |
Фиагдонская МГЭС |
4.0 |
22.0 |
150 |
6 |
||
ТЭО |
|||||||
Осетия-Алания |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Всего |
|
91.4 |
390.8 |
4 238 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* Расчеты являются предварительными и подлежат уточнению. |
|
|
|
|
|||
** В том числе 205 млн. рублей за счет средств ФЦП "Юг России". |
|
|
|
11 |
|||
*** В среднем стоимость строительства МГЭС составляет от 36 до 60 тыс. руб. за кВт установленной мощности. |
|||||||
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)
Используется для дополнительной подачи энергии в сеть в моменты пиковой нагрузки, и таким образом помогает удовлетворить возникшую потребность в электроэнергии
Пиковые ГАЭС рассчитаны |
|
|
ГЭС-ГАЭС |
|
|
на работу в турбинном |
|
|
|
|
|
|
|
|
режиме в течение |
|
|
4…6 часов в сутки |
|
|
ГАЭС требуют меньших затрат на строительство и меньших затоплений, чем обычные ГЭС, стоимость зависит от напора
ГАЭС
Накопление энергии
Отдача энергии
На европейской части России напоры возможных ГАЭС не превышают 120 м, 12 на Кавказе возможно строительство ГАЭС с напором 400 м.
6
|
|
|
|
|
Источник: www.zagaes2.rushydro.ru |
|||
Загорская ГАЭС-2 |
Мощность 840 МВт |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
100 километрах к северо-западу от Москвы на |
|||||
|
|
|
реке Кунья, недалеко от Сергиева Посада |
|||||
|
|
|
Cтоимость проекта оценивается в 30 млрд. руб |
|||||
|
|
|
(870 млн. евро) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Турбины – концерн «Силовые машины» |
|||||
|
|
|
Первые 2 гидроагрегата (4 по 210 МВт) будут |
|||||
|
|
|
пущены в 2011году (пусковой комплекс), |
|||||
|
|
|
3 и 4 - в 2012 году (проектная мощность) |
|||||
Загорская ГАЭС: |
|
|
|
|
|
|
|
|
•6 обратимых гидроагрегатов РО - 200/220 МВт |
|
|
|
|
||||
•расчѐтный напор 100 м |
|
|
|
|
|
|
||
•пуск первого и второго гидроагрегатов – декабрь 1987 года |
|
|
||||||
•полная проектная мощность (1200 МВт) – 2000 год |
|
|
||||||
•общая электрическая мощность |
|
|
|
|
|
|||
‒1 200 МВт в генераторном режиме |
|
|
|
|
|
|||
‒1 320 МВт в режиме двигателя |
|
|
|
|
|
|||
|
|
Выработано электроэнергии за год, млн кВт·ч |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2004 |
2006 |
2007 |
2008 |
|
2009 |
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 950,0 |
1 919,4 |
1 934,2 |
1 933,8 |
|
1 921,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приливная электростанция
– электростанция, преобразующая энергию морских приливов в электрическую
Основные периоды колебаний:
•суточные продолжительностью около 24 ч
•полусуточные – около 12 ч 25 мин.
Разность уровней между последовательными самым высоким и самым низким уровнями воды – высота прилива (0,5-10 м)
Потенциальная (теоретическая) мощность ПЭС, кВт :
N 225A2F
где А – среднегодовая высота приливов, м;
14 |
F – площадь бассейна за плотиной, км2. |
|
7
Основные места концентрации приливной энергии в России
Местораспо- |
Средняя |
Площадь |
Потенциал |
||
ложение |
высота |
бассейна, км2 |
|
|
|
Средняя |
Годовая |
||||
|
прилива, м |
|
|||
|
|
мощность, ГВт |
выработка. |
||
|
|
|
|||
|
|
|
|
ТВт·ч |
|
|
|
|
|
|
|
Мезенский |
6,0 |
2330 |
15,2 |
50,0 |
|
залив |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пенжинская |
6,2 |
20530 |
87,4 |
190,0 |
|
губа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тугурский |
4,7 |
1800 |
10,3 |
27,6 |
|
залив |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15
ПЭС с одним бассейном
|
Суточная неравномерность производства |
Море |
электроэнергии |
|
|
Электроэнергия производится дважды в сутки на |
|
ПЭС |
протяжении 3…4 часов |
Рабочие периоды смещаются во времени из-за
несовпадения продолжительности лунных и
солнечных суток
Плотина Бассейн
ПЭС с двумя бассейнами
Море
ПЭС с 2-мя бассейнами вырабатывают энергию непрерывно и с небольшими колебаниями в течение суток
Нижний |
Плотина №2 |
бассейн |
Плотина №1 |
|
Верхний |
|
бассейн |
16
8
Преобразователи энергии волн
Общая характеристика технических решений
Преобразователи энергии течений
принцип преобразования скоростного напора во вращательное движение турбин
преобразователи, основанные на других физических принципах (объемные насосы, упругие преобразователи и др.)
Основные схемы установки преобразователей
сооружения, закрепляемые |
сооружения, плавающие в толще |
на морском дне |
воды и заякоренные к дну |
17
Схемы турбин
а – свободный ротор; б – ротор в насадке; в – ротор, устанавливаемый поперек потока
18
9
Преобразователи
КПД около 50 %.
«Утка Солтера»
Вариант конструкции преобразователя: 1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами; 3 – асимметричный поплавок
|
Контурный плот – |
|
многозвенная система из |
|
шарнирно соединенных |
Контурный плот Коккерелла: 1- колеблющаяся |
секций |
секция; 2 – преобразователь; 3 – тяга; 4 – шарнир. |
|
|
Лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что |
19 |
его эффективность составляет около 45 % |
|
Сигнальный буй
Пневмобуй Масуды
В автономных электрических буях вырабатываемая энергия используется для зарядки аккумуляторов, питающих 60-ваттную электролампу
электрогенератор
корпус
клапан
воздушная турбина
Более крупное и впервые включенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия) фирмой Kvaernor Brug A/S
20 (500-киловаттной установке, построенной на краю отвесной скалы)
10