Hidroenergie mică

Energia hidroelectrică mică se referă la producerea de energie electrică prin intermediul turbinelor hidroelectrice de capacitate variabilă instalate pe cursuri de apă permanente. De regulă, crearea unei hidrocentrale (HPP) necesită construirea unui baraj în care sunt instalate hidroturbinele, dar sunt posibile și HPP fără baraj.

Micro-centralele hidroelectrice sunt definite ca centrale cu o capacitate de până la 100 kW, iar centralele hidroelectrice mici (SHPP) sunt definite ca centrale cu o capacitate instalată totală de până la 30 MW, cu o capacitate a unei singure unități hidroelectrice de până la 10 MW și un diametru al rotorului turbinei hidroelectrice de până la 3 metri. În majoritatea cazurilor, se presupune că MHPP sunt instalate pe râuri și cursuri de apă mici. MHPS pot funcționa cu debit reglementat sau fără reflux pe debit natural. MHPS utilizează, de asemenea, pentru MHPS evacuările în gol prin baraje ale instalațiilor hidroelectrice mari și ecluze, diferențele de nivel ale maselor mari de apă la întreprinderile industriale, evacuările de apă de la instalațiile miniere și de prelucrare, centralele TPP, SDPP, NPP etc. MHPP sunt, de asemenea, construite pe canale de irigații.

Ca orice altă metodă de producere a energiei, utilizarea micilor și microhidrocentralelor are atât avantaje, cât și dezavantaje.

Printre avantajele economice, de mediu și sociale ale instalațiilor hidroelectrice mici se numără următoarele. Crearea acestora sporește securitatea energetică a regiunii, asigură independența față de furnizorii de combustibil situați în alte regiuni și economisește combustibilii fosili rari. Construcția unei astfel de instalații energetice nu necesită investiții mari de capital, un număr mare de materiale de construcție energointensive și costuri semnificative cu forța de muncă și se amortizează relativ repede.

În procesul de producere a energiei electrice, centralele hidroelectrice nu produc gaze cu efect de seră și nu poluează mediul înconjurător cu produse de ardere și deșeuri toxice, ceea ce îndeplinește cerințele Protocolului de la Kyoto. Aceste instalații nu provoacă seismicitate indusă și sunt relativ sigure în cazul cutremurelor naturale. Ele nu afectează în mod negativ stilul de viață al populației, fauna și condițiile microclimatice locale.

Problema hidrocentralelor mici este vulnerabilitatea lor la defecțiuni, care lasă consumatorii fără alimentare cu energie electrică. Soluția la această problemă este crearea de capacități de generare de rezervă — turbină eoliană, mini-caldă de cogenerare, instalație fotovoltaică etc.

Cel mai frecvent tip de accidente la instalațiile hidroelectrice mici este distrugerea barajului și a unităților hidroelectrice ca urmare a revărsării peste creasta barajului în cazul creșterii neașteptate a nivelului apei și a defectării dispozitivelor de închidere. În unele cazuri, hidrocentralele contribuie la înnisiparea rezervoarelor și influențează procesele de formare a canalelor.

Există o anumită sezonalitate a producției de energie, când în perioadele de iarnă și de vară, din cauza debitului redus în cursul de apă, capacitatea MGPP-urilor este redusă semnificativ.

Factorii care împiedică dezvoltarea hidroenergiei mici în Rusia sunt:

• lipsa de informații în rândul potențialilor utilizatori cu privire la avantajele utilizării SHPP;
• slaba înțelegere a regimului hidrologic al cursurilor de apă mici;
• lipsa unor metode fundamentate științific de evaluare și prognoză a impactului posibil asupra mediului și activității economice
• baza redusă de producție și reparații a întreprinderilor care produc echipamente pentru PCHM;
• lipsa echipamentelor de serie pentru construcția în masă a SHPP-urilor.

Mici hidrocentrale

În antichitate, oamenii acordau atenție râurilor ca sursă disponibilă de energie. Pentru a utiliza această energie, oamenii au învățat să construiască roți hidraulice care roteau apa. Aceste roți erau folosite pentru a acționa pietre de moară și alte utilaje. Moara de apă este un exemplu viu al celei mai vechi centrale hidroelectrice, care a supraviețuit în multe țări până în zilele noastre într-o formă aproape virgină. Înainte de inventarea motorului cu aburi, forța apei era principala forță motrice în producție. Pe măsură ce roțile hidraulice au fost perfecționate, puterea centralelor hidraulice de a acționa mașinile a crescut. În prima jumătate a secolului al XIX-lea, a fost inventată turbina hidraulică, deschizând noi posibilități de valorificare a energiei hidroelectrice. Odată cu inventarea mașinii electrice și a unei modalități de transmitere a energiei electrice pe distanțe mari, a început dezvoltarea energiei hidraulice prin transformarea acesteia în energie electrică în centralele hidroelectrice (CHE).

Micile și microhidrocentralele sunt instalații hidroenergetice mici. Această parte a producției de energie se ocupă cu utilizarea energiei resurselor de apă și a sistemelor hidraulice prin intermediul centralelor hidroelectrice de capacitate mică (de la 1 la 3000 kW). Producția de energie electrică la scară mică a fost dezvoltată în lume în ultimele decenii, în principal datorită dorinței de a evita deteriorarea mediului cauzată de rezervoarele marilor hidrocentrale, datorită posibilității de a asigura alimentarea cu energie electrică în zone greu accesibile și izolate, precum și datorită costurilor reduse de capital în construcția centralelor și rentabilității rapide a investițiilor. De asemenea, construcția de centrale hidroelectrice de mare capacitate are perspective largi de dezvoltare în diferite regiuni ale lumii cu bazine hidrografice transfrontaliere.

În prezent, nu există un concept universal acceptat de toate țările pentru o centrală mică. Cu toate acestea, în multe țări, capacitatea instalată este considerată drept principala caracteristică a unei astfel de centrale. De regulă, hidrocentralele mici cu o capacitate de până la 30 MW sunt considerate hidrocentrale mici. Hidroenergia mică nu prezintă multe dezavantaje ale hidrocentralelor mari și este recunoscută ca fiind una dintre cele mai economice și ecologice modalități de producere a energiei electrice, în special atunci când se utilizează cursuri de apă mici. Hidrocentralele mici, microhidrocentrale sau nanohidrocentrale combină avantajele hidrocentralelor mari, pe de o parte, și posibilitatea furnizării descentralizate de energie, pe de altă parte.

Caracteristicile centralelor mici

În ultimii ani, s-a generalizat practica instalării centralelor hidroelectrice mici. O centrală electrică de acest tip este o instalație, ale cărei echipamente de toate tipurile sunt dispozitive hidroelectrice. În funcție de capacitatea instalațiilor, acestea sunt clasificate în minihidrocentrale cu o capacitate care nu depășește 10 MW, microhidrocentrale cu o capacitate care nu depășește 0,1 MW și centrale hidroelectrice mici cu o capacitate de 10 până la 30 MW. Diagrama schematică a unei centrale hidroelectrice este prezentată în figura 2.1.

Unitatea hidroenergetică a unei hidrocentrale mici este formată dintr-o unitate de putere, o unitate de captare a apei și elemente de control. În funcție de tipul de resurse hidroelectrice utilizate în funcționarea centralelor hidroelectrice mici, acestea pot fi subdivizate în

• stații de tip canal sau baraj, care au rezervoare cu volum mic de apă;
• mini-stații de tip staționar, care utilizează energia de curgere liberă a râurilor;
• centrale hidroelectrice, care funcționează folosind energia diferențelor de nivel existente între ape.

Turbinele pentru unitățile hidroelectrice ale centralelor hidroelectrice mici sunt

• de tip axial;
• de tip radial-axial;
• cu cupă;
• cu dispozitive rotative cu palete.

Turbinele sunt utilizate în funcție de înălțimea apei utilizate de hidrocentrală. Astfel, turbinele de tip cupă și cu ax radial sunt proiectate și utilizate pentru minicentralele de înaltă presiune. Turbinele cu dispozitive cu palete rotative și axe radiale sunt utilizate la hidrocentralele de presiune medie. Turbinele cu acțiune rotativă cu palete sunt instalate la centralele de joasă presiune de capacitate mică.

Principiul de funcționare al tuturor tipurilor de turbine este același, sub capul de apă care ajunge la palete, acestea efectuează mișcări de rotație. Capacitatea tuturor mini-stațiilor hidroelectrice depinde de înălțimea apei și de debitul acesteia, de eficiența generatoarelor și turbinelor instalate.

Atunci când alegeți o hidrocentrală de capacitate mică, este necesar să țineți cont de faptul că toate echipamentele trebuie să fie adaptate la condiții specifice, să răspundă nevoilor și scopului obiectului și să îndeplinească anumite aspecte. Toate echipamentele ar trebui să fie echipate cu sisteme automate de control și monitorizare, cu posibilitatea de a trece la controlul manual în caz de urgență și întreruperi bruște ale alimentării. Hidrocentralele mici trebuie să fie echipate cu sisteme fiabile de protecție și siguranță.

Avantaje și dezavantaje ale centralelor hidroelectrice mici

Unul dintre principalele avantaje ale instalațiilor hidroelectrice mici este siguranța mediului. În procesul de construcție și exploatare ulterioară a acestora, nu există efecte dăunătoare asupra proprietăților și calității apei. Corpurile de apă pot fi utilizate atât pentru activități de pescuit, cât și ca surse de alimentare cu apă pentru populație. Cu toate acestea, microhidrocentralele și hidrocentralele mici au multe avantaje în plus față de acestea. Instalațiile moderne sunt simple în proiectare și complet automatizate. Curentul electric generat de acestea îndeplinește cerințele GOST în ceea ce privește frecvența și tensiunea, iar centralele pot funcționa atât în mod autonom, cât și ca parte a rețelei electrice. Instalațiile electrice mici nu necesită organizarea unor rezervoare mari de apă cu inundarea corespunzătoare a teritoriului și daune materiale colosale.

În timpul construcției și exploatării hidrocentralelor mici, peisajul natural este păstrat și nu există practic nicio sarcină asupra ecosistemului. Avantajele hidroenergiei mici, în comparație cu centralele pe combustibili fosili, includ, de asemenea: costul scăzut al energiei electrice și costurile de exploatare, înlocuirea relativ ieftină a echipamentelor, durata de viață mai lungă a centralelor (40-50 de ani), utilizarea integrată a resurselor de apă (producția de energie, aprovizionarea cu apă, recuperarea terenurilor, protecția apelor, pescuitul).

Multe dintre hidrocentralele mici nu asigură întotdeauna o producție de energie garantată, deoarece sunt centrale sezoniere. În timpul iernii, producția lor de energie scade brusc, acoperirea cu zăpadă și fenomenele de gheață (gheață și squelch de gheață), precum și nivelul scăzut al apei în timpul verii și secarea râurilor pot suspenda complet funcționarea lor. Caracterul sezonier al hidrocentralelor mici necesită dublarea surselor de energie, iar numărul lor mare poate duce la o pierdere a fiabilității alimentării cu energie electrică. Prin urmare, în multe zone, capacitatea hidrocentralelor mici nu este considerată ca fiind principală, ci ca o capacitate de duplicare.

Rezervoarele hidrocentralelor mici, în special în zonele muntoase și de podiș, au o problemă foarte acută de înnămolire și problema asociată a creșterii nivelului apei, a inundațiilor și a îmbibării cu apă, reducând potențialul hidroenergetic al râurilor și producția de energie electrică.

Construcția și reconstrucția centralelor hidroelectrice mici vor face posibilă nu numai obținerea de energie electrică ecologică, ci și furnizarea de energie electrică în zonele cu deficit energetic în care nu există o alimentare centralizată. Dezvoltarea hidrocentralelor mici contribuie la descentralizarea întregului sistem energetic, ceea ce face posibilă furnizarea stabilă de energie electrică în regiunile greu accesibile. Energia produsă de hidrocentralele mici este utilizată de cei mai apropiați consumatori. Acest lucru reduce costurile de transport și crește fiabilitatea aprovizionării cu energie.

Regiuni de dezvoltare și limitări tehnologice

Hidroenergia mică este una dintre cele mai ușor de înțeles zone de dezvoltare a energiei regenerabile pentru investitori. În prezent, dezvoltarea hidroenergiei mici este promițătoare în zonele cu o densitate ridicată a resurselor hidroenergetice, în special în regiunile fără aprovizionare centralizată cu energie și fără deficite de capacitate (Fig. 2.2).

Cele mai promițătoare regiuni din Federația Rusă pentru dezvoltarea hidroenergiei mici sunt republicile din Caucazul de Nord: Daghestan, Cecenia, Ingușetia, Karachay-Cherkessia, Kabardino-Balkaria, Osetia de Nord, Adygea, precum și teritoriile Stavropol și Krasnodar, Karelia, regiunea Murmansk, Siberia de Sud, Pribaikalye și regiunile din Extremul Orient.

Potențialul hidroenergetic al Rusiei și utilizarea acestuia

Potențialul hidroenergetic, ca și alte resurse naturale, este evaluat în mai multe categorii pentru a reflecta aspectele fizico-naturale, tehnice și socio-economice. Sunt definite trei categorii de evaluare:

• Potențialul hidroenergetic brut, și anume cantitatea totală de energie transportată de râuri;
• potențial hidroenergetic tehnic — o parte din potențialul brut, a cărui dezvoltare este fezabilă în principiu cu ajutorul mijloacelor tehnice cunoscute;
• potențial hidroenergetic economic — o parte a potențialului tehnic, a cărui dezvoltare pare a fi eficientă și oportună din punct de vedere economic.

Potențialul brut (resursele hidroenergetice teoretice sau potențiale) este determinat prin formula

unde E — energie, kWh; Q _i — debitul mediu anual al râului la locul i considerat, m 3 /s; H _i — scăderea nivelului râului la locul respectiv, m; n — numărul de locuri; 8760 — numărul de ore dintr-un an.

Se calculează presupunând că întregul debit va fi utilizat pentru a produce energie electrică, fără pierderi în conversia energiei hidraulice în energie electrică.

Resursele hidroenergetice potențiale mondiale sunt estimate la 35000 miliarde kWh pe an, resursele potențiale ale Rusiei sunt de 2896 miliarde kWh.

Resursele hidroenergetice tehnice sunt întotdeauna mai mici decât cele teoretice, deoarece iau în considerare pierderile:

• capete hidraulice în conductele de apă, diguri, secțiuni neutilizate ale cursurilor de apă;
• consumul de apă pentru evaporarea din rezervoare, filtrare, evacuări în gol etc..;
• energia din diferite echipamente hidroenergetice.

Resursele tehnice caracterizează posibilitatea producerii de energie în stadiul actual.

Resursele tehnice hidroenergetice ale Rusiei se ridică la 1 670 miliarde kWh pe an, dintre care 382 miliarde kWh pe an la centralele hidroelectrice.

Producția de energie electrică la centralele hidroelectrice în funcțiune din Rusia în 2002 a totalizat 170,4 miliarde kWh, inclusiv 2,2 miliarde kWh la centralele hidroelectrice de mare capacitate.

Resursele hidroenergetice economice depind în mod semnificativ de progresul din sectorul energetic, de depărtarea hidrocentralelor de locul de racordare la sistemul energetic, de disponibilitatea altor resurse energetice în regiunea luată în considerare, de costul, calitatea acestora etc.

Tabelul 4.1 sintetizează valorile potențialului hidroenergetic eficient din punct de vedere economic al Rusiei.

În 2003, aproximativ 2,5 miliarde kWh de energie electrică au fost produse în hidrocentralele rusești, ceea ce reprezintă mai puțin de 0,3% din producția totală de energie electrică din Rusia. Pentru comparație, la sfârșitul anilor 1980, hidrocentralele mici din SUA și China au generat 28 și, respectiv, 11 miliarde kWh de energie electrică.

În ceea ce privește potențialul lor, resursele hidroelectrice ale Rusiei sunt comparabile cu volumele existente de producere a energiei electrice de către toate centralele electrice din țară, dar acest potențial este utilizat doar în proporție de 15%. Având în vedere costurile în creștere ale extracției combustibililor fosili și creșterea corespunzătoare a prețului acestora, pare necesar să se asigure o dezvoltare maximă a energiei hidroelectrice. Se presupune că energia hidroelectrică va fi dezvoltată în principal în Siberia și Orientul Îndepărtat. În zonele europene, construcția de hidrocentrale va fi dezvoltată în Caucazul de Nord.

Aproximativ 17 % din potențialul hidroenergetic total al țării este reprezentat de râurile mici. Potențialul energetic total al acestor râuri este estimat la 360 milioane tec pe an, din care potențialul tehnic este de 125 milioane tec (35%), iar potențialul economic este de 65 milioane tec (18%). Acesta poate fi realizat prin construirea de centrale hidroelectrice mici.

Aproximativ 40% din potențialul hidroenergetic al râurilor din Caucazul de Nord se află în Daghestan, ceea ce reprezintă un potențial energetic total de 50,8 miliarde kWh pe an. Până în anii 1990, potențialul economic fezabil al râurilor din Daghestan a fost estimat la 16 miliarde kWh. Dintre acestea, 12 miliarde kWh ar fi trebuit să fie dezvoltate de hidrocentrale mari și mijlocii, iar 4 miliarde kWh de hidrocentrale mici. În prezent, potențialul fezabil din punct de vedere economic al râurilor din Daghestan este reevaluat în favoarea creșterii acestuia, inclusiv a ponderii hidrocentralelor mici.

Anii 1940-1950 au fost anii de vârf pentru construcția de SHPP-uri, când au fost puse în funcțiune până la 1000 de instalații anual. Conform diferitelor estimări, în 1955 existau între 4000 și 5000 de SHPP-uri în partea europeană a Rusiei. După încheierea Marelui Război pentru Apărarea Patriei, numărul total de PIPP din URSS era de 6500 de unități.

La începutul anilor 1950, datorită trecerii la construirea de instalații energetice mari și conectarea consumatorilor din mediul rural la alimentarea centralizată, această direcție a energiei a pierdut sprijinul statului, ceea ce a dus la distrugerea și declinul aproape complet al infrastructurii create anterior. Proiectarea, construcția, fabricarea de echipamente și piese de schimb pentru hidroenergia mică a încetat.

Până la prăbușirea URSS în 1990, existau doar 55 de MGPP în funcțiune. Conform unor surse diferite, în prezent există între 70 și 350 de MGPP în funcțiune pe întreg teritoriul Rusiei.

În ultimii ani, ponderea energiei electrice produse de hidrocentrale în balanța energetică totală a Rusiei a fost în scădere. În 1995, aceasta a fost de 21%, în 1996 — 18%, iar în 1997 — 16%. Acest lucru se datorează atât obsolescenței și uzurii echipamentelor de la giganții hidroelectrici din trecut, cât și creșterii ponderii unei resurse energetice mai convenabile — gazul natural — în balanța energetică a țării.

Potrivit experților, în viitorul apropiat, producția de energie la hidrocentrale va crește. Acest lucru se va întâmpla în principal în regiunile cu aprovizionare descentralizată cu energie datorită punerii în funcțiune a noilor hidrocentrale, care vor înlocui centralele diesel învechite și neeconomice.

Scopul principal al MGPP în anii următori va fi înlocuirea combustibililor fosili importați în regiunile îndepărtate ale Rusiei pentru a reduce cheltuielile bugetare federale și a îmbunătăți eficiența și securitatea energetică a regiunilor cu deficit de energie.

Peste 3 000 de centrale diesel funcționează în regiunea Orientului Îndepărtat. Alimentarea cu energie electrică a regiunii depinde în totalitate de aprovizionarea stabilă cu combustibil diesel. Din cauza costului ridicat al motorinei și al livrării acesteia, a devenit necesară înlocuirea acesteia cu alte resurse energetice. Alimentarea cu energie electrică a regiunii poate fi optimizată prin construirea de centrale hidroelectrice.

În ultimii ani, au fost elaborate scheme de utilizare a resurselor hidroelectrice și au fost identificate instalațiile prioritare pentru o eventuală construcție, luând în considerare nevoile consumatorilor. Pe peninsula Kamchatka este planificată construirea a 20 de MHPP. În primul tur, se planifică punerea în funcțiune a șase MHP cu o capacitate instalată totală de 50,2 MW. Aceste centrale vor fi construite pe râuri unde piscicultura comercială nu este dezvoltată sau vor fi construite fără baraje. În cea de-a doua fază, vor fi puse în funcțiune alte 11 hidrocentrale cu o capacitate totală de 132,8 MW. Alte trei hidrocentrale vor fi finalizate până în 2015, cu o capacitate totală de 300 MW.

Caucazul de Nord este, de asemenea, o regiune cu deficit de energie. În ultimii ani, au fost construite MHPP-uri în Adygea (250 kW), Kabardino-Balkaria (1 100 kW) și Krasnodar Krai (2 450 kW).

În cadrul programului de construcție a centralelor hidroelectrice mici în Daghestan, au fost selectate 20 dintre cele mai promițătoare proiecte din bazinul râului Sulak, cu o capacitate totală de 46200 kW și o producție de energie de 274,4 milioane kWh, și 12 dintre cele mai promițătoare MHPP din sudul Daghestanului, cu o capacitate totală de 11700 kW și o producție medie anuală totală de energie de 68 milioane kWh. Au fost puse în funcțiune Akhtinskaya MHPP (1800 kW), Agulskaya MHPP (600 kW), Arakulskaya MHPP (1200 kW), Amsarskaya MHPP (1000 kW), Kurushskaya MHPP (480 kW), Bavtugayskaya MHPP (600 kW), Gunibskaya MHPP (15000 kW), Maginskaya MHPP (1200 kW), Shinazskaya MHPP (1400 kW).

Programul HydroWGC de construcție și reabilitare a MGPP prevede punerea în funcțiune a unei capacități de 300 MW la hidrocentralele mici până în 2010 și a unei capacități de 3 000 MW până în 2020 (în principal în Caucazul de Nord).

Extinderea rețelei MHPP va face posibilă alimentarea completă a regiunilor montane cu energie electrică, ceea ce va duce la o îmbunătățire semnificativă a condițiilor de viață socială a populației montane, la extinderea industriilor existente și la crearea de noi industrii (sisteme de irigații, ateliere pentru producția de materiale de construcție, sisteme de alimentare cu apă și de drenaj, complexe agroindustriale etc.) și, în consecință, la crearea de noi locuri de muncă. În cele din urmă, alimentarea cu energie electrică a zonelor montane pe baza utilizării energiei hidraulice regenerabile și ecologice va contribui la renașterea și dezvoltarea satelor montane izolate și la localizarea populației indigene.

Producția de bază și echipamentul de bază al centralelor hidroelectrice

Următoarele scheme pot fi utilizate pentru generarea de presiune la centralele hidroelectrice:

• Bazat pe baraj, când înălțimea este creată de baraj;
• Derivare, în care înălțimea este creată prin intermediul unei derivații sub forma unui canal, tunel sau conductă;
• combinat, atunci când presiunea este creată de un baraj și de o deviere.

Schema de baraj prevede crearea unui curs de apă de nivel de reflux prin construirea unui baraj. Rezervorul rezultat poate fi utilizat ca rezervor de reglare, permițând acumularea periodică de rezerve de apă și o utilizare mai completă a energiei cursului de apă.

În schema de derivare, apa este deviată din canalul natural printr-un canal artificial cu o pantă longitudinală mai mică. Nivelul apei la capătul unei astfel de conducte este mai ridicat decât nivelul apei din râu, iar această diferență de nivel reprezintă înălțimea de înălțime a centralei hidroelectrice. Cu cât panta râului este mai mare și derivația este mai lungă, cu atât se poate obține o înălțime mai mare. Derivarea poate fi nepresurizată — canal, canal de scurgere, tunel nepresurizat sau presurizată — tunel sub presiune, conductă. În practică, există scheme mixte de hidrocentrale: hidrocentrale cu baraj-derivare, în care presiunea este creată atât de baraj, cât și de derivare, și hidrocentrale cu derivare mixtă, în care există atât conducte de apă sub presiune, cât și fără presiune.

Hidrocentralele cu derivare sunt construite pe râurile de munte și în zonele de podiș unde există pante semnificative. Cu ajutorul derivației, se pot obține înălțimi de 1000 m și mai mult.

Principalele echipamente energetice ale centralelor hidroelectrice sunt turbinele hidraulice și generatoarele.

O turbină hidraulică transformă energia de mișcare a apei în energie mecanică de rotație a rotorului său. În funcție de principiul de conversie a energiei, hidroturbinele sunt împărțite în active și reactive.

Turbinele active utilizează partea cinetică a energiei debitului (înălțimea vitezei).

Turbinele reactive (Fig.4.1) utilizează în principal energia potențială a debitului (energia de presiune).

La hidrocentrale, turbina și generatorul sunt conectate printr-un arbore comun. Vitezele acestora depind de numărul de perechi de poli ai rotorului generatorului și de frecvența curentului alternativ, care trebuie să corespundă frecvenței standard. Pentru a obține viteze unitare apropiate de optim, la înălțimi mari se folosesc turbine cu valori mici ale coeficientului de rapiditate, iar la înălțimi mari — cu valori mari ale acestui coeficient.

Asociația „INSET” (Sankt Petersburg) produce unități hidraulice pentru MGES cu o capacitate unitară de până la 5000 kW și pentru micro-HPP cu o capacitate de la 3 la 100 kW. Unitățile hidraulice sunt proiectate pentru a funcționa într-o gamă largă de înălțimi și debite cu caracteristici de putere ridicate și sunt produse cu turbine cu elice, cu ax radial și cu cupă. Setul de livrare include, de regulă, o turbină, un generator și un sistem de control automat al unității hidraulice.

Tyazhmash JSC (Syzran) furnizează hidroturbine cu o capacitate de 15000 pentru MGES și, de asemenea, efectuează reparații și restaurări ale unităților separate, instalarea și ajustarea echipamentelor.

Echipamentul hidroenergetic pentru centralele MHPP este dezvoltat de NPO RAND (St. Petersburg). Au fost create hidroturbine care permit utilizarea eficientă a capetelor joase. Capacitatea acestor unități variază de la 6-20 la 2500 kW.

În ultimii ani, au fost dezvoltate hidroturbine submersibile cu flux liber, care utilizează viteza de curgere a apei în cursurile de apă pentru producerea de energie și nu necesită construirea de baraje. Cursurile de apă cu o lățime și o adâncime suficiente și o viteză de curgere a apei de aproximativ 3 m/s pot fi utilizate pentru a găzdui hidroturbinele submersibile.

Hidroturbinele submersibile portabile pot fi utilizate pe scară largă atunci când este nevoie de producerea rapidă de energie electrică într-un timp și cu costuri minime.

Microhidrocentralele (până la 100 kW) pot fi instalate aproape oriunde. O hidrocentrală este formată dintr-o unitate de putere, un dispozitiv de admisie a apei și un dispozitiv de reglare automată (Fig.4.2).

Microhidrocentralele sunt caracterizate de simplitate. Acestea sunt fiabile, ecologice, compacte și se amortizează rapid. În primul rând, microhidrocentralele sunt solicitate ca surse de energie electrică pentru sate, ferme, așezări de daci, ferme; mori, mici industrii în zone îndepărtate, muntoase și inaccesibile, unde nu există linii electrice în apropiere (și este mai lung și mai costisitor să construiești astfel de linii decât să achiziționezi și să instalezi microhidrocentrale).

Un număr mare de microhidrocentrale pot fi construite la hidrosistemele de alimentare cu apă și de irigații. În sistemele de alimentare cu apă, microhidrocentralele pot fi construite în locul diferitelor tipuri de amortizoare de energie (de înălțime) în secțiuni ale traseului cu diferențe mari de înălțime la suprafață. La debite de apă cuprinse între 5 și 100 l/s, capacitatea acestora poate ajunge de la 20 la 200 kW.

Soluții constructive interesante sunt realizate de unele companii străine. Fig.4.3 prezintă proiectul unui baraj deversor gonflabil oferit de firma „Dyrhoff”. În locul materialelor tradiționale pentru baraje: beton, oțel și lemn, firma utilizează o „bulă” realizată din cauciuc armat. Pentru a crea capul, barajul este umflat cu aer sau umplut cu apă la o presiune cu 20-30% mai mare decât capul (h).

„Bula” este menținută pe fundația de beton prin ancore. Compresorul sau pompa este conectat(ă) la cavitatea internă a barajului prin conducte amplasate în fundația de beton. Avantajul acestui model constă în faptul că, dacă este necesar, cavitatea poate fi ventilată rapid și ușor, iar „bula” se va scufunda la fund, permițând apei să curgă în aval fără obstacole. Această proprietate a barajului poate fi utilizată cel mai bine pe râurile cu creșteri rapide ale debitelor mari pentru trecerea în tranzit a apei. Este posibil să se utilizeze aceste baraje pentru trecerea sezonieră a peștilor și a gheții. Avantajele acestui baraj, conform producătorului, sunt costul redus, ușurința în exploatare și costurile minime de exploatare.

Un alt proiect, nu mai puțin interesant, este barajul de captare a apei cu ecran Coanda (Fig.4.4). În prezent, mai mult de 40 de prize de apă ale centralelor hidroelectrice mici din Europa sunt echipate cu astfel de ecrane. Aceste ecrane sunt autocurățabile și, prin urmare, necesită costuri reduse de întreținere. În esență, priza este formată dintr-un deversor peste creasta căruia se revarsă apa și pe partea din aval a căruia se află o suprafață profilată înclinată a unui ecran fabricat din material rezistent la coroziune. Prin structura în rețea a ecranului, apa cade în jos și intră în conducta sau canalul care alimentează cu apă centrala. Datorită configurației speciale a barelor rețelei, resturile plutitoare, sedimentele și peștii se rostogolesc în jos pe ecran împreună cu o parte din apă. Ecranul Coanda este capabil să elimine 90 % din particulele de 0,5 mm și mai mari.

Dezvoltarea accelerată a hidrocentralelor mici poate fi stimulată de accidente, care sunt din ce în ce mai frecvente în sistemul energetic al țării, deoarece hidrocentralele pot fi surse de alimentare autonomă. Un alt factor de accelerare este reprezentat de cerințele de mediu pentru energia produsă, care au devenit și mai importante ca urmare a introducerii Protocolului de la Kyoto.

În prezent, centralele hidroelectrice mici (microcentrale) sunt deja răspândite în multe țări ale lumii. Acestea se caracterizează printr-o durată mare de funcționare orară, rezerve structurale semnificative și fiabilitate ridicată și nu necesită prezența constantă a personalului de întreținere. Consecințele construcției și exploatării hidrocentralelor mici asupra mediului sunt minime. Hidrocentralele mici nu depind practic de condițiile meteorologice și sunt capabile să asigure aprovizionarea stabilă a consumatorilor. PCH-urile produc energie electrică ieftină, iar perioada de recuperare a investiției nu depășește 3-5 ani.

Energia și capacitatea centralelor hidroelectrice

Puterea (kW) la arborele turbinei hidraulice se determină după cum urmează

unde Q_т — debitul de apă prin turbina hidraulică, m 3 /s; H — înălțimea turbinei, inclusiv pierderile, m; η_т — este factorul de randament al turbinei (η_т = 0,93-0,96).

Puterea electrică a generatorului

unde η_gena — este randamentul hidrogeneratorului, de obicei egal cu 0,97.

Reglarea puterii unitare se face prin modificarea debitului de apă care trece prin hidroturbină. Puterea centralei hidroelectrice la momentul i este egală cu

unde Q_{г i}, H_{г i}, η_{г i} — este debitul, înălțimea și randamentul centralei hidroelectrice la momentul i-lea de timp.

Puterea produsă de HPP (kWh) pentru perioada de timp T (h) se determină prin formula

Puterea anuală produsă de HPP nu este o valoare constantă, ci variază în funcție de volumul de scurgere care intră în rezervor, de gradul de reglare a acestuia și de condițiile de funcționare a HPP.

Energia electrică furnizată consumatorului este mai mică decât energia produsă de hidrocentrală. Suma tuturor pierderilor în timpul transportului energiei electrice de la centrală la consumator este estimată folosind eficiența sistemului de transport și conversie η_per = 0,92-0,93.

Capacitatea instalată a centralei HPP N_st este definită ca suma capacităților nominale (de pașaport) ale generatoarelor instalate la aceasta. Ea corespunde capacității maxime care poate fi dezvoltată de centrală.

Centrale hidroelectrice cu acumulare

O centrală hidroelectrică cu acumulare (HSPP) este concepută pentru a redistribui în timp energia și capacitatea în sistemul energetic. În timpul orelor de sarcină redusă, HPPP funcționează ca o stație de pompare. Aceasta pompează apa din aval în amonte în detrimentul energiei consumate și creează rezerve hidroenergetice (fig. 4.5).

În timpul orelor de sarcină maximă, SNPP funcționează ca o hidrocentrală. Apa din amonte este transmisă prin turbine în aval, iar HPPP produce și livrează energie electrică în rețea. În timpul funcționării, hidrocentrala consumă energie electrică ieftină pe seama diferențelor tarifare și produce energie electrică mai scumpă în perioadele de vârf de sarcină (noaptea, costul energiei electrice este mai scăzut din cauza cererii scăzute, iar în timpul zilei nu există suficientă energie electrică). Prin umplerea golurilor de sarcină din sistemul energetic, SNPP permite exploatarea centralelor termice și nucleare în modul cel mai economic și sigur, reducând în același timp semnificativ consumul specific de combustibil pentru producerea a 1 kWh de energie electrică în sistemul energetic.

Astfel, HPPP nu produce energie, ci doar o redistribuie în timp prin pomparea apei din bazinul inferior în bazinul superior pe timp de noapte și prin utilizarea energiei stocate în perioadele de sarcină maximă prin trecerea apei din bazinul superior în bazinul inferior prin turbinele HPPP.

Avantajul hidrocentralelor HPPP este valoarea redusă a investiției de capital specifice necesare și a numărului de personal de exploatare. Acestea nu necesită râuri mari, au un impact mai mic asupra mediului decât alte surse de energie, funcționează bine și sunt utilizate pe scară largă în modul compensator sincron, generând putere reactivă.

Mașinile hidraulice reversibile, care funcționează atât în modul pompare, cât și în modul turbină, și mașinile electrice reversibile, care funcționează ca generator sau motor electric, sunt utilizate cu precădere în centralele hidroelectrice. Mașinile hidraulice reversibile sunt proiectate pentru înălțimi de până la 1000 m.

Eficiența centralelor hidroelectrice depinde în mare măsură de valoarea înălțimii utilizate: cu cât aceasta este mai mare, cu atât centrala hidroelectrică este mai eficientă, ceea ce se datorează în primul rând reducerii capacității bazinelor. Astfel, investițiile de capital specifice în HPPP la creșterea înălțimii de la 100 la 500 m scad cu 20-25 %.

În țările dezvoltate din punct de vedere industrial, punerea în funcțiune intensivă a noilor capacități hidroenergetice este asigurată, de regulă, prin construirea de hidrocentrale.

Zagorskaya HPPP-1 este prima și până în prezent singura HPPP din Rusia. HPPP-1 este situată la 100 de kilometri nord de Moscova, pe râul Kunya, care alimentează bazinul inferior al HPPP. Diferența naturală de înălțime dintre bazinul superior și cel inferior, care atinge 100 de metri, a fost utilizată la construcția acesteia. Odată cu punerea în funcțiune a ultimei unități în 2000. HPPP-1 și-a atins capacitatea nominală de 1200 MW. Alte patru centrale similare trebuie construite pentru a rezolva problema aprovizionării cu energie a regiunii centrale a Rusiei.

Spre deosebire de hidrocentrale, SHPP utilizează apa pentru producerea de energie într-un ciclu închis și provoacă daune minime mediului. Pentru a compensa apa pierdută prin evaporare și infiltrare în sol, apa care circulă între cele două bazine este reîncărcată. Reîncărcarea provine dintr-o sursă deschisă și debitul său este mult mai mic decât debitul de circulație.