Выбор места и схемы размещения микро ГЭС определяются природными условиями, возможностями и желаниями будущего пользователя. Все эти вопросы имеют комплексный характер и включают в себя, как гидрологические параметры, так и электротехнические, строительные и экономические вопросы. Необходимо учитывать основные вопросы строительства микро гидроэлектростанций.

Линии электропередач

Строительство микро ГЭС предпочтительно осуществлять поближе к жилью, к потребителю, так как с увеличением расстояния и соответственной протяженностью линий электропередач, возрастают, как затраты на строительство, монтаж и обслуживание этих линий, так и потери электроэнергии за счет сопротивления в линии электропередач (ЛЭП).

 Электрическое сопротивление - это физическая величина (выражается в Ом), характеризующая противодействие проводника электрическому току (провода ЛЭП). Эта величина изменяется в зависимости от материала, сечения и длинны проводника

На рисунке 34 изображены потери на примере микро ГЭС мощностью 10 кВт. Показанные на рисунке расчеты сравнивают потери в ЛЭП протяженностью 3 км и 200 метров (материал проводов - алюминий сечением 25 мм).

Рис.34. Расчет потерь электроэнергии в зависимости от протяженности ЛЭП

Как видно, снижение напряжения в ЛЭП протяженностью 3 км составили 68%, в то время как в ЛЭП 200 метров - только 5%.

На достаточно больших ГЭС (или мощных малых ГЭС) эта проблема решается за счет передачи электроэнергии на подстанцию, где ее напряжение повышают до сотен киловольт, что позволяет передавать большую мощность по ЛЭП с минимальным сечением провода и с минимальными потерями. Технически систему трансформаторов (для повышения с последующим понижением напряжения) можно поставить и для микро ГЭС, но это повысит общую стоимость микро ГЭС.

Вторым фактором снижения показателей напряжения/мощности, доходящих до потребителя, является материал и сечение проводов ЛЭП.

Зачем нужно рассчитывать провода и кабеля на длительно допустимый ток? В первую очередь расчеты выполняются для безопасного и надежного электроснабжения. Не менее важным фактором является экономическая часть. Было бы просто взять толстенный медный провод и, ничего не рассчитывая, быть уверенным, что электрический ток пройдет по такому проводу без потерь. Но стоимость такой ЛЭП будет не оправданна экономически.

Подразумевается, что при одинаковом токе в ЛЭП и при увеличении напряжения можно передавать больше мощности. Это значит, что при неизменном сечении провода ЛЭП можно передать большие мощности на большие расстояния.

Следовательно, для технически и экономически эффективной микро ГЭС необходимо выбирать место для ее строительства максимально близко к потребителям и использовать соответствующие материалы для ЛЭП.

Оценка гидрологических параметров

Потенциальная мощность микро ГЭС рассчитывается на основе двух главных показателей:

Эти показатели используются в следующей формуле расчета производительной мощности выбранного участка:

,

где: Р = электрическая мощность, кВт; Q = расход, м3/с; H = величина напора, м; g = ускорение свободного падения (9.81 м/с2); η = общий КПД (использовать 70%).

Как видно, для вычисления необходимо в формулу ввести значения напора и расхода воды. Для получения этих данных существует множество способов, пригодных для расчета мощности - простых и сложных, точных и приблизительных.

Значения напора и расхода воды являются главными показателями для выбора места строительства ГЭС. На практике, встречаются места, привлекательные для строительства микро ГЭС, где достаточно легко сделать предварительную оценку напора и расхода. Однако также часто встречаются места, где параметры водотока не так ясно видны. Этому может мешать малый уклон водотока или неорганизованный поток воды (когда речка или ручей состоит из нескольких русел или много впадающих и вытекающих потоков). Для того, чтобы не производить каждый раз детальные замеры напора и расхода воды в разных местах целесообразно сделать предварительную оценку в нескольких местах, где визуально осуществимо строительство микро ГЭС. Это необходимо для выбора наилучшего места для проведения уже детальных изысканий.

Для этого используются разные методы. К примеру, можно использовать:

Картографические данные, где указаны отметки высот на местности. Такие карты имеются у геологов, местных Госрегистров, МСУ или органов, ответственных за ирригацию. На таких картах указаны все существенные изменения высот на местности и урезы воды (берега рек). С их помощью можно предварительно оценить разницу высот и соответственно - потенциальный напор. Также можно примерно оценить необходимую длину деривационного канала (в случае с деривационным типом микро ГЭС).

Эта оценка позволит отсеять менее привлекательные места и начать более детальные изыскания в одном или двух местах.

Замер напора воды

Для строительства достаточно мощной микро ГЭС (к примеру, больше 10 кВт) предпочтительно проведение изысканий с помощью специалистов и их оборудования. Если же такой возможности нет или же планируется строительство небольшой микро ГЭС, то можно провести и собственные изыскания с помощью относительно простых средств.

Рис.35. Определение напора с помощью шланга с водой

Этот способ (рис. 35) использует прозрачную трубку (к примеру, поливной шланг), наполненный водой и принцип сообщающихся сосудов. Уровень воды в одном конце трубки должен находиться на уровне верхней отметки; при этом необходимо замерить расстояние от уровня воды в другом конце трубки до земли (нижней отметки). При следующем замере уровень верхней отметки должен быть там, где при предыдущем замере находилась нижняя отметка. Сумма этих высот даст общую высоту между верхним и нижним бьефами (то есть напор).

Такой же принцип используется при замере напора при помощи строительного уровня и измерительной планки (рис. 36).

Рис.36. Определение напора с помощью строительного уровня

Необходимо, чтобы доска была расположена строго горизонтально (это обеспечивается при помощи строительного уровня) и напор измеряется по такому же принципу, как указано в примере с трубкой.

Замер расхода воды

Расход воды в горных реках и ручьях Кыргызстана наблюдается:

Максимальный расход обычно в 3 - 5 раз больше минимального расхода. Поэтому, проводя оценку, необходимо брать за основу период минимального расхода воды. Как правило, расход воды минимален в зимнее время года, когда требуется больше всего электроэнергии. Диаграмма ниже (рис. 37) иллюстрирует это соотношение на примере реки Талды-Суу и села Талды-Суу (Тюпский район).

Рис.37. Соотношение расхода воды в реке Талды-Суу и потребления электроэнергии в селе Талды-Суу

Также как и в случае с оценкой напора воды, при оценке расхода можно использовать два подхода - с помощью специалистов и их оборудования или же - самостоятельно, при помощи подручных средств (рис. 38).

Способ а) больше предназначен для малых водотоков (ручей, арык) и использует домашние емкости (ведро, бочка). Необходимо засечь время наполнения емкости (точный объем которой известен) и определить расход воды.

Рис.38. Измерение расхода воды с помощью: а) ведра; б) поплавка.

Для больших объемов целесообразно использовать способ б). Для измерения расхода воды этим способом, необходимо выбрать место на русле реки, длиной 5-10 м, наиболее ровное по глубине и ширине, и со спокойным течением. Необходимо замерить глубину и ширину потока на участке в нескольких местах и определить среднее значение. Вторым шагом необходимо определить скорость потока. Для этого, в начало выбранного участка бросают поплавок (любой легкий плавучий предмет, к примеру - бумага, пенопласт и т.п.) и измеряют время, за которое он проплывет этот участок реки.

Показатель расхода воды определяется по формуле:

,

где: Q - расход воды, м3/с; h - глубина потока, метров; b - ширина потока, метров; v - скорость потока, метров в секунду; f - коэффициент потока.

Для этой формулы необходимо применять показатель коэффициента потока (f = 0,5...0,8). Чем более шероховатее берега, каменистее дно, небольшая глубина и большая ширина русла, тем меньшее значение f необходимо применять в формуле.

Пример:

Расход воды (Q) будет равен: Q = 0,4 х1 х 0,5 х 0,6= 0,12 м3/с.

Оценка потребностей в электроэнергии

Правильная оценка потребностей в электроэнергии очень важна для того, чтобы определить - достаточна ли будет мощность вашей микро ГЭС для обеспечения потребностей в электричестве.

В первую очередь, для определения объема потребления электричества необходимо учесть в какой системе оно будет использоваться - в электрических сетях общего пользования или в собственной сети потребления.

При передаче в центральную систему, любая мощность, производимая микро ГЭС, будет уходить в сети общего пользования и, в этом случае, нет необходимости вести расчеты по соотношению потребления и производства электричества.

В случае же работы микро ГЭС в собственной сети, необходимо провести расчеты по потреблению и производству электроэнергии. Это нужно для исключения, как недопроизводства электроэнергии, так и для его перепроизводства. Если недопроизводство можно компенсировать параллельным потреблением электричества из сетей общего потребления (РЭС), то строительство мощности большей, чем нужно приведет к неоправданному удорожанию строительства микро ГЭС. Кроме того, как описано в разделе "Система управления микро ГЭС", лишняя электроэнергия должна потребляться балластной нагрузкой (к примеру - ТЭНы для подогрева воды), чтобы обеспечить нормальную эксплуатацию гидроагрегата. Это также ведет к удорожанию строительства, так как установка балластной нагрузки требует дополнительных работ и материалов.

Потенциальная мощность микро ГЭС (производство электроэнергии) высчитывается с учетом уже известной формулы расчета мощности

Что касается потребления электроэнергии, то у каждого прибора есть свой показатель потребления электрической мощности.

К примеру, можно использовать для расчетов данные нижеприведенной таблицы. Эту таблицу можно дополнять данными по потреблению других электроприборов.

Вместе с тем, если предусматривается, что электроэнергия будет использована большим количеством потребителей, то очень сложно определить какая мощность и в какое время будет потребляться. В этом случае необходимо согласовать с потребителями механизм потребления. Пример в часы наибольшей нагрузки (в утреннее и вечернее время) потребители должны отключать (или не включать) некоторые электроприборы, такие как: утюги, пылесосы, обогреватели, электроплиты и др.

Особое внимание стоит обратить на электродвигатели и бытовые электрические механизмы на основе электродвигателей (циркулярная пила, швейные машинки, насосы, компрессоры и т.д.). При запуске электродвигателя пусковой ток может увеличиться в 3-5 раз по сравнению с номинальной мощностью, которая указана на электродвигателе. Одновременное включение нескольких электродвигателей может привести к тому, что на короткий период времени нагрузка на МГЭС увеличится, сверхдопустимой, что негативно может сказаться на ее работе.

Информация о двигателе указывается в его паспорте (в документации и на металлической табличке, прикрепленной к корпусу). Здесь приводятся номинальные величины, т.е. такие, на которые двигатель рассчитан при своей нормальной работе при наибольшей допустимой нагрузке.

Например, на табличке указано: Р = 1,1 кВт; U = 220 В; I = 4,3 A; f = 50 Гц;  = 2810 об/мин; КПД = 77,5%; cos f = 0,87. Это означает:

Таким образом, с учетом указанных коэффициентов, потребление электрической мощности электродвигателем в процессе работы будет около 1,5 кВт.

Авторы: Картанбаев Б.А., Жумадилов К.А., Зазульский А.А.