Русский ВИЭ

Понимаю, название громкое, зато не про Украину.

 Вводная часть

 

На сегодняшний день наиболее "хайповыми" видами возобновляемой энергетики являются солнечная и ветровая.

На большей части территории России, северной страны, солнечная энергия находится в явном дефиците, впрочем, как и ветровая. Кроме того прерывистый характер генерации не позволяет рассматривать указанные виды ВИЭ, как значимые, без строительства либо компенсирующей генерации традиционного вида, либо каких-либо аккумулирующий мощностей.

Тем не менее в России есть очень распространённый возобновляемый источник энергии неотягощённый явлением прерывистости. Это энергия речных вод. В википедии по этому поводу указанно следующее: «общий (теоретический) гидроэнергетический потенциал рек России оценивается в 2900 млрд кВт·ч в год, в том числе гидропотенциал крупных и средних рек — 2400 млрд кВт·ч. Технически возможный к использованию гидропотенциал оценивается в 1670 млрд кВт·ч (без малых рек), экономически целесообразный к использованию — в 850 млрд кВт·ч.»

Для сравнения: Выработка электроэнергии в ЕЭС России в 2021 году составила 1,114 трлн кВтч.

Проблема в том, что для экономически эффективного получения гидроэнергии  необходимо строительство плотины, чтобы создать значительный водный напор в виде перепада уровней воды до и после плотины. Возможность получения должного перепада и устройства водохранилища есть в очень ограниченном наборе мест и, как правило, такие возможности уже реализованы в виде строительства крупных плотинных ГЭС.

Использование низкопотенциальной энергии равнинных рек со скоростью движения воды около 1 м/с, коих в России значительное количество, всегда считалось экономически нецелесообразным. В эпоху изобилия углеводородного  топлива это была вполне обоснованная точка зрения. Но по мере исчерпания углеводородов стоит более внимательно оценить возможности гидрогенерации на равнинных реках.

Главным и неоспоримым преимуществом энергии речного потока является её предсказуемость. Река всегда течёт в одном направлении. Скорость потока меняется лишь в масштабах года от весеннего половодья к летней межени. Причём это изменение имеет вид кратного пика с примерно двухкратным увеличением скорости, в остальное время скорость речного потока примерно постоянная. То есть полностью отсутствует главная проблема ВИЭ – прерывистость и непредсказуемость генерации.

Очевидна также и главная проблема гидрогенерации без устройства плотины – лёд, точнее зимний ледостав и весенний ледоход. Всё что пересекает границу речной воды и воздуха зимой будет вморожено в лёд, а весной, если это не какое-то капитальное сооружение, – снесено с места.

В итоге длительных раздумий и некоторых расчетов родилось предложение, которое может дать технологию экономически выгодного получения энергии на равнинных реках без строительства плотин и с учётом возникающих сложностей.

 

Описание конструкции

 

Общий подход следующий. Речная энергия является низкопотенциальной, поэтому не получится установить одиночную установку и получить значимое количество энергии. Придётся на некоторой площади реки размещать существенное количество устройств. Эти устройства, которые мы будем называть «базовый агрегат»,  будут преобразовывать кинетическую энергию речного  потока в электрическую. В силу многочисленности базовых агрегатов, они должны быть дешёвыми и нетребующими для монтажа капитальных работ и сооружений. Отсутствие капитальных сооружений не позволит впрямую противостоять ледоходу, поэтому базовые агрегаты должны быть целиком, включая электрогенератор, погружены в воду. По подводной же проводке выработанная электроэнергия будет подаваться на берег, где «береговой синхронизатор» объединит потоки энергии от всех базовых агрегатов и выдаст потребителю ток с требуемыми параметрами. Совокупность перечисленных устройств будем называть миниГЭС.

На рисунке схематично показан описанный комплекс миниГЭС.

В такой конфигурации можно не опасаться сложностей со льдом, он пройдёт выше. Также не станет критичным для базовых генераторов и проход над ними моторки или небольшого катера. Крупные суда естественно должны будут обходить место установки стороной.

Базовый агрегат будет представлять собой устройство, состоящее из водяного колеса и генератора, которое преобразует кинетическую энергию речной воды в электрическую. Компоновок может быть много, но мне представляется оптимальным  следующий вид:

Металлическая конструкция, в которой на одной оси сидят два соосных лопастных колеса противоположного вращения. Внутри ступицы колёс находится генератор.

Так как одним из главных качеств базового агрегата должна быть дешевизна и технологичность, для его изготовления планируется использовать самые простые, общедоступные материалы. Каркас будет изготавливаться из гнутых стальных труб и стального проката. Лопасти колёс планируется выполнить из оцинкованного листа. Геометрически лопасть будет представлять собой образующую конической поверхности, изготовление которой возможно на обычных вальцах.

Генератор будет спрятан в ступице колёс. Его ротор через планетарный редуктор связывается с колёсами, а статор жестко соединён с осью. Так как генератор базового блока должен постоянно находится в воде, а «вечной» герметизации не существует, предлагается использовать бесщёточный  генератор на постоянных магнитах, который заполнен водой. На роторе такого генератора установлены постоянные магниты, а обмотки статора и токоведущие части должны быть целиком залиты полиэфирными смолами. Между статором и ротором будет чисто магнитное взаимодействие, которому пресная речная вода не препятствует.

На рисунке представлен вариант компоновки внутриступичного пространства с генератором.

Всё держится на полой неподвижной оси, которая выделена светлосерым цветом.  Синяя деталь – ступица первого колеса, фиолетовая – ступица второго колеса. Через двухступенчатый планетарный редуктор вращение суммируется и передаётся на ротор – оранжевого цвета. Расчёты показывают, что наибольшую мощность можно будет получить при минимальных оборотах колёс – 3 – 5 об/мин, двухступенчатый редуктор позволит разогнать ротор до 400 – 500 об/мин.

Ротор состоит из двух рядов постоянных магнитов, жёстко связанных в рамках одной детали. Один ряд магнитов вращается снаружи ряда обмоток, второй ряд постоянных магнитов вращается внутри ряда обмоток. Статор – красного цвета – в виде ряда неподвижных обмоток закреплён на диске, который зафиксирован на неподвижной оси.

Мощность вырабатываемого генератором тока зависит от следующих параметров: длины проводника в направлении перпендикулярном направлению движения магнитного поля, скорости движения магнитного поля, напряжённостью магнитного поля, которая зависит от силы магнитов и замыкания силовых линий магнитного поля. Поэтому магниты и обмотки приняты прямоугольными, вытянутыми вдоль оси вращения. Применён двухступенчатый редуктор для максимального увеличения скорости вращения ротора. Постоянные магниты поставлены парами, чтобы охватывать обмотку с двух сторон. При этом элементы ротора, на которых закреплены магниты, выполнены из магнитопроводящего материала (стали).

Ниже показан более крупный поперечный разрез ротора и статора. Красным цветом выделены сердечники обмоток статора, серым - магниты. Клетчатой и линейной штриховкой показаны магнитнонейтральные заливки.

Количество полюсов, сила и геометрия магнитов, размеры обмоток, форма сердечников, сечение и длина проволоки в обмотках определяются расчетом.

Оптимальной и наиболее технологичной  опорой на речное дно являются четыре винтовые сваи.

 

 

Методика расчёта мощности

 

На рисунке слева показана расчетная схема. Формула мощности выглядит следующим образом: N=F*Vколеса, где F – сила, воздействующая на колесо, Vколеса – скорость колеса; F=m*a, где m – масса, a – ускорение; m=Q*ρ*t, где Q – объёмный расход, ρ – плотность воды, t – время; Q=S*V1ос, где S – площадь колеса, V1ос – скорость воды параллельная оси вращения колеса; a= (V2окр-V1окр)/t, где V2окр, V1окр – конечная и начальные скорости воды в проекции на плоскость вращения колеса, t – время; подставив всё в начальную формулу получим: M=Vколеса*S*ρ*V1ос*( V2окр-V1окр). Считаем, что V1ос= V2ос=Vнач*k, где Vнач – скорость свободного речного потока в данном месте до установки миниГЭС, k – коэффициент замедления воды при прохождении через колесо, который может иметь значения от 0 до 1. При k=0 вода не протекает через колесо, обходя его стороной, при k=1 вода проходит через колесо «не замечая его». V1окр, V2окр привязаны к V1ос, V2ос через динамические углы α1, α2, которые рассчитываются в зависимости от геометрии колеса, скорости его вращения и скорости воды. Так как геометрия и скорости для разных участков колеса различны, то всю лицевую проекцию колеса мы разбиваем на тонкие кольца, в пределах которых считаем все параметры одинаковыми. Расчет делается для каждого кольца отдельно, а потом результаты суммируются. В полученной формуле есть две неизвестные: Vколеса и k. Со скоростью колеса проще – назначаем ряд значений и для каждого считаем мощность. Для определения коэффициента замедления необходим альтернативный расчёт. В приведённой формуле мощность имеет прямую зависимость от k. В альтернативном расчете зависимость должна быть обратной. Соответственно,  то значение k, при котором оба расчёта дадут одинаковый результат, будет искомым.

 

Ниже на рисунке представлена схема альтернативного расчёта.

Альтернативный расчет строится на утверждении, что объёмный расход воды неизменен. Объёмный расход определяется формулой Q=S*V, где S – площадь сечения, V – скорость воды, проходящей через сечение. Вода, протекающая через сечение колеса, замедляется. Соответственно, если средняя скорость становится меньше при постоянном расходе, то должна увеличиться площадь сечения. Единственное место, где может появиться дополнительная площадь сечения, это над начальным уровнем воды, то есть перед препятствием, замедляющим движение воды, формируется «горбик» (на схеме закрашен красной штриховкой). Горбик характеризуется шириной колеса (препятствия) Bколеса, высотой и углом бокового склона. Угол бокового склона зависит от скорости набегания воды, я решил просто принять в размере 1о. Дополнительная площадь Sдоп=Sколеса*(1-k), где Sколеса – площадь колеса, k – искомый коэффициент. С другой стороны Sдоп=h*Bколеса+h*h*tgβ, где h – высота горбика, β - угол бокового склона. Зная высоту горбика, мы можем определить мощность потока воды по формуле N=p•g•Q•h, где: p – плотность воды, равна 1000 кг/м 3, g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с 2, Q – расход воды, Q=Sколеса*Vнач*k, h – напор (высота «горбика»).  В данном случае мы получаем обратную зависимость мощности от коэффициента k.

Сделав ряд расчетов по прямой и альтернативной методике, получаем значение коэффициента замедления k=0,782.

Расчёты показывают, что один базовый агрегат при наружном диаметре колёс 3 метра при скорости движения воды 1 м/с сможет получить механическую мощность порядка 7,60 кВт. КПД механических передач и генератора можно оценить по 0,95 каждый, плюс нужно учесть потери возникающие при работе генератора в воде – 0,8, итого электрической мощности можно получить 5,49 кВт.

 

Анализ применимости ВИЭ

 

При анализе любого ВИЭ нужно ответить на три главных вопроса:

- распространённость в природе условий, при которых данный ВИЭ будет выдавать экономически значимое количество энергии (ширина ниши);

- качество генерируемой энергии, в первую очередь наличие и характер пилы генерации;

- потенциальная стоимость получаемого киловатт*часа с учётом капитальных и текущих затрат.

Попробую дать ответы на них:

 

Ширина ниши

В таблице под спойлером приведены скорости движения воды в крупных реках России (найдено на просторах Интернета).

Скорость 1 м/с соответствует 3,6 км/ч. В таблице большинство рек в межень имеют меньшую скорость. Однако, табличное значение является средним. На большинстве рек есть широкие участки с меньшей скоростью, есть зауженные участки, где вода разгоняется, есть русла, в которых концентрируется движение воды. То есть можно сделать вывод, что реки со средней скоростью 1 м/с немногочисленны, но на многих реках можно найти участки, подходящие для устройства миниГЭС.

 

Качество генерируемой энергии

Качество энергии миниГЭС существенно выше, чем у других ВИЭ. Движение речного потока круглогодично и круглосуточно, не меняет направления. Изменения скорости воды предсказуемы и ограничены кратким временным промежутком весеннего половодья, когда скорость увеличивается и потребители могут получить дополнительную мощность. Также нужно учитывать, что большое количество базовых агрегатов делает миниГЭС в целом малочувствительной к выходу из стоя одного или нескольких агрегатов. С такими свойствами миниГЭС вполне могут являться постоянным источником базовой мощности.

 

Потенциальная стоимость киловатт*часа

Всё изложенное выше это «эскиз эскиза». Однако, оценка экономической составляющей критически важна. Поэтому в таком же «эскизном» варианте я попробовал оценить стоимость миниГЭС. Оценка производилась из предположения, что строится миниГЭС на 1 МВт скажем на реке Северная Двина в районе пос.Брин Наволок, что в Архангельской области. Там река сужается и поворачивает, в итоге скорость движения воды достигает искомых 1 м/с.

Предполагается серийное производство базовых агрегатов в заводских условиях.

Цены на материалы взяты из Интернета, расценки «на глаз», всё с НДС. Если есть коррективы, готов внести в расчет.

С налогами подход следующий: при строительстве миниГЭС возникает большой входящий НДС, который компенсирует в период окупаемости возникающий при продаже выработанной энергии исходящий НДС. Налог на прибыль перекрывается амортизацией. Поэтому налогов в расчете нет.

Цена электроэнергии принята для населения сельских районов Архангельской области, юр.лица платят гораздо больше.

Под спойлером таблица расчёта.

 

Срок окупаемости получился 3,7 года. Это немалый, но вменяемый, срок. Многое будет зависеть от массовости выпуска базовых агрегатов, отработки технологии монтажа на речное дно.

Произвёл аналогичный расчет для реки Нева со скоростью воды 1,1 м/с и тарифом на электроэнергию для сельской местности 3,61 руб/кВт*час. Число базовых агрегатов составило 140 шт, а срок окупаемости сократился до 3,27 года.

Совершенно иная картина будет при подключении миниГЭС к предприятию с непрерывным производственным циклом (КИУМ = 0,8-0,9) и с тарифом на электроэнергию в районе 7 руб/кВт*час. Срок окупаемости сокращается до 1,4 года.

 

Итог

 

Предлагаемый вариант миниГЭС не является революцией и не станет вечным источником бесплатной энергии. Однако он может расширить возможности по использованию гидроэнергии и сформировать существенную нишу экономически адекватных ВИЭ в специфических Российских условиях.

А в связи с событиями на нашей Юго-западной границе нужно отметить, что подобная миниГЭС очень устойчива к событиям военного характера.