Продолжение. 
Начало в ИР, 10, 2015

Вы не задумывались, почему при всем шуме, о необходимости массового внедрения микро-ГЭС, поднятом в СМИ конкретных результатов не видать? На то есть целый ряд причин. Часть из них чисто специфические, а остальные общие. Хоть я иллюстрирую ситуацию на примере Украины, но аналогичные проблемы имеются по всему СНГ.

Проблемы малой гидроэнергетики

Представьте себя на месте арендатора водохранилища. Вы выращиваете рыбу и имеете дармовой поток энергии в виде падающей струи. Вы хотите поставить электрогенератор и использовать энергию для получения прибыли. Для начала необходимо построить бизнес-план. В котором перво-наперво необходимо хотя бы приблизительно оценить мощность водного потока. (Проблема в том, что методики, понятной неспециалисту, не существует. В Интернете имеется канадская программа, к слову сказать, адаптированная для 26 языков мира, включая и русский. Но она требует ввода данных, которые может получить только специалист, без которого дело не обойдется. Потому что без знания мощности водного потока нельзя даже примерно определить стоимость проекта.)

Необходимые формальности

Допустим, что у вас есть лишние деньги, и наем специалиста позволил избавиться от этого затруднения. Далее необходимо составить список подходящего для вашего потока гидроэлектрического оборудования. (А это уже проблема, даже для специалиста. Я сам потратил больше месяца на поиск подходящего для наших условий оборудования, ибо мы живем на равнине, где малые перепады уровня воды. И список более-менее подходящего оборудования очень короткий.) Будем считать, что вам повезло и нужное оборудование нашлось. Далее нужно решить, что вы с этой электроэнергией будете делать. Есть два варианта — продавать кому-то или использовать самому. Лучший вариант, когда рядом есть какой-то платежеспособный потребитель электроэнергии. Цена электричества будет максимальной. Это позволяет использовать даже очень дорогое европейское оборудование. Оно за 2—3 года окупится. Но этот вариант маловероятен. Вероятнее другое — потребителя нет, но рядом есть линия электропередачи. С одной стороны, это лучше, ибо это стабильный потребитель электричества . Но с другой стороны — хуже: вам достанется четверть розничной цены проданной энергии. Все остальное достанется Облэнерго.

Это обстоятельство принуждает к использованию только оборудования, производимого на территории СНГ. А вероятнее всего, что рядом нет ни постороннего потребителя, ни ЛЭП и использовать электричество, кроме вас, некому. Если у вас нет возможности организовать малое производство у водохранилища, то на этом все и кончается. А если есть, то о рациональной организации производства поговорим ниже. Будем считать, что на этом этапе все прошло гладко. Перейдем к следующему — поиску квалифицированного персонала, который будет работать на вашей ГЭС (между прочим, для Украины, весьма серьезная, почти непреодолимая проблема, ибо в украинском городе тяжело найти электрика, а в деревнях их просто не осталось). Ситуацию в России в этой отрасли я просто не знаю. Но в случае отсутствия подходящей рабочей силы придется учить персонал за свой счет и платить приличную зарплату. Иначе возникнут проблемы. Будем считать, что и тут вы справились. Идем дальше.

Нужно получить разрешения во всех ведомствах на проектирование ГЭС. Список организаций определяется по требованиям законодательства той территории, где будет ГЭС (украинский список состоит из 16 разрешающих организаций). Далее необходимо получить в свое распоряжение дополнительный участок земли для установки оборудования, (в особенности тогда, когда земля выделяется только на основе тендера, предпринимателю, претендующему на дополнительный участок, приходится выставлять подставных соискателей, иначе земли вообще не получить даже за непомерно большие деньги).

Строительство

Далее заказываете проект. Повторно утверждаете его во всех инстанциях и закупаете оборудование. Потом идет само строительство. Дело может затянуться еще на год (у нас зимой не строят). Итак, как говорится, не прошло два года как вы стали собственником ГЭС. А теперь скажите, у вас желание всем этим заниматься не пропало? Не проще ли торговать чужим товаром? То-то же. А ведь я не поднимал еще вопросы ликвидности оборудования. Если конъюнктура рынка изменится, торговец может быстро распродать остаток товара. Да и торговое оборудование вполне ликвидно. А кому вы продадите свою гидротурбину? Она сделана персонально под параметры вашего водного потока и никому, кроме вас, не подходит.

А теперь подобьем итоги. Список требований немного дополним. Оборудование для производства электроэнергии (как и для любого другого производства) на местах должно отвечать следующим требованиям:

Необходимо пояснить последние четыре требования. Предприниматели на территории бывшего СНГ имеют некоторые привычки, которые были уместны при плановой экономике СССР, а сейчас потеряли смысл. Я имею в виду тягу строить капитальные сооружения. Для советской экономики, в условиях, когда планирующим организациям было известно на многие годы наперед, где какое производство будет размещено, был смысл строить именно капитальные сооружения. Они полностью отрабатывали свой срок эксплуатации. А в нашей «свободной экономике», когда надежный и точный прогноз сделать намного сложнее, капитальные сооружения далеко не везде уместны. Ведь когда вы ринулись в свободный сектор экономики, никто в мире не знает, сколько еще народу устремилось туда же. Может выйти так, что пока вы строили здание, ситуация изменилась, и отрасль стала убыточной. А деньги, вложенные в здание, уже не вернуть. И чем дальше будет расположено производство от густонаселенных районов, тем надежнее действует это правило.

В нынешних условиях дремучей неопределенности есть прямой смысл помещения для производства собирать из модулей контейнерного типа. Для чего нужен универсальный модуль, из которого можно было бы собирать производственные помещения нужной формы. По своим габаритам он должен соответствовать максимальным габаритам автомобильных контейнеров (например, стандарта EN 284), ибо доставляться на место работы будет поездами и автомобилями. Предложить выпуск этих контейнеров было бы рационально заводу, производящему обычные автоконтейнеры.

Такой подход делает бизнес очень гибким. Можно будет расширять производство по мере возможности и необходимости. Точно также можно будет его сворачивать. Или переносить на другое место. Это ответ на третий и шестой пункты требований. Доступная стоимость оборудования возможна только тогда, когда оно будет производиться серийным способом, что требует унификации оборудования. Только на основе выпуска стандартных электрогенераторов и возможно организовать массовую продажу малого энергетического оборудования. Так, как сейчас продаются, к примеру, холодильники и стиральные машины. И не только продавать, но и перепродавать в случае исчезновения нужды в этом оборудовании.

Итак, только на основе соблюдения этих требований можно организовать серийное производство «зеленого» оборудования для альтернативной энергетики. Давайте рассмотрим, какими именно техническими решениями можно выполнить вышеуказанные требования.

Рис. 1. Схема плотины.

Плотина

Единственно возможным способом забора воды из водохранилища без внесения конструктивных изменений тела плотины есть сифонный перелив, смысл которого виден из рис.1. Только такой водозабор позволяет устанавливать гидрогенераторы без бюрократической волокиты, которая вполне обоснованна. Нарушение целостности тела плотины грозит прорывом воды и аварийным затоплением нижестоящих населенных пунктов. А сифонный перелив эту угрозу исключает.

На рисунке разреза плотины с сифонной подачей воды в микро-ГЭС обозначено: 1 — уровень воды в верхнем водоеме; 2 — уровень воды в нижнем водоеме; 3 — дно водоемов; 4 — тело плотины; 5 — водозабор; 6 — труба сифонного перелива; 7 — камера воздухосборника; 8 — вакуумный насос; 9 — гидроагрегат, состоящий из гидрозатвора, гидрогенератора и водоотсасывающей трубы.

Гидрогенератор

Малые напоры воды обуславливают низкую скорость вращения турбин гидрогенераторов, что не дает получить нужные частоту и напряжение тока. Первое, что приходит на ум в этом случае, — поднять скорость вращения гидрогенератора путем применения повышающего редуктора или ременной передачи. Но такое решение приведет к падению КПД системы, увеличению ее стоимости, к появлению необходимости регулярного технического обслуживания и строительству дополнительных помещений, что нежелательно. Гораздо разумнее делать электрогенератор многополюсным. К примеру, удвоение числа полюсов генератора позволяет ему работать на перепаде воды в 4 раза меньше исходного!

Но одним увеличением числа полюсов проблема универсализации электрогенераторов не снимается. И чтобы решить ее окончательно, нужно отказаться от генерации готового переменного тока. Нужно генерировать постоянный ток, передать его потребителю, а уже у него с помощью инвертора превратить в переменный ток нужной частоты и напряжения. В таком случае нет необходимости подгонять параметры турбины и генератора к напряжению и частоте, а только к одному напряжению, которое на разных скоростях водяного потока можно регулировать током индуктивного возбуждения. Такой подход позволяет использовать один и тот же гидрогенератор на диапазоне перепадов высот от 1 до 10 м воды и больше. А это, в свою очередь, позволяет сократить диапазон типоразмеров гидрогенераторов до 5—10 шт., что уже вполне приемлемо для организации серийного выпуска.

Покупателю этого оборудования нужно будет по высоте перепада воды и необходимой предельной мощности определить диаметр водяного потока, а по нему — подходящий типоразмер гидрогенератора. А дальше уже можно покупать и устанавливать соответствующее оборудование. Пусть оно и не полностью будет использовать водяной поток (чаще всего это и не нужно), зато пользователь сможет быстро получить гидроэнергию и быстро сворачивать ее производство, так как такому гидрогенератору всегда найдется новый покупатель. А также можно поменять его на более подходящий по мощности, если в этом появилась потребность, что очень важно для начинающих предпринимателей, и не нужно будет переплачивать за избыточную мощность оборудования.

Из четырех типов электрогенераторов: синхронных, асинхронных, коллекторных и индукторных — вышеуказанным требованиям отвечают только индукторные. Все остальные либо плохо регулируются, либо требуют регулярного обслуживания. Для иллюстрации воплощения в жизнь вышеуказанных технических решений я предлагаю к рассмотрению одну конструкцию. Она не самая лучшая. Я знаю по крайней мере еще две конструкции. И они не хуже. Но в наше время войны со скрытой рекламой я их показать не могу — меня сочтут потаенным рекламистом. А эта конструкция разработана мной специально для иллюстрирования подходов в конструировании.

Рис.2. Сечение гидрогенератора.

 На рис.2 продольного сечения гидрогенератора обозначено: 1 — труба для подачи воды; 2 — обтекатель верхнего подшипника; 3 — входной подшипник вала крыльчатки турбины; 4 — входная, статическая крыльчатка-завихритель водного потока; 5 — ось турбины; 6 — коренной подшипник; 7 — крыльчатка турбины; 8 — улиткообразный корпус; 9 — обмотка возбуждения магнитного поля; 10 — рабочие обмотки полюсов статора; 11 — магнитопровод статора; 12 — ротор индукторного генератора; 13 — окно водоотлива; 14 — верхняя щека турбины; 15 — нижняя щека турбины.

принцип работы гэс следующий. Водный поток, поданный через трубу и гидрозатвор-регулятор, упираясь в крыльчатку-завихритель, приобретает вращательное движение и входит в центральную часть турбины через окно в верхней щеке. А направления закручивания водного потока у статической крыльчатки и загиб лопастей крыльчатки турбины взаимно противоположны. В результате центральная часть крыльчатки турбины работает в импульсном режиме. Далее водный поток, скользя вдоль лопастей крыльчатки, меняет направление движения на противоположное, срывается с концов лопастей и попадает в улиткообразный водосборник. (В регионах с теплым климатом можно удалять отработанную воду любым способом. Но у нас, из-за зимних морозов вышеуказанный корпус оптимален). И далее через окно водоотлива вода уходит в отсасывающую трубу, а из нее — в нижний водоем.

Рис.3. Ротор и турбина.

Стартует такая турбина как реактивная за счет возникновения реактивной силы на концах лопастей. А переходя на рабочий режим, реактивный режим дополняется импульсным режимом работы центральной части крыльчатки. Устройство индукторного электрогенератора следующее. На верхней щеке турбины закрепляется ротор (его вид — на сечении А-А рис.3), который имеет вид диска из магнитопроводного материала (например, магнитопласта) с отверстием посередине для свободного вращения вокруг трубы для подачи воды с минимальным зазором. А также с кольцевой канавкой-утоньшением в средней части и с зубцами на краю. Зубцы как ротора, так и статора обозначены поз.16. А над ротором, на корпусе гидрогенератора, закреплен статор (рис.4, сечение В-В).

Рис.4. Статор гидрогенератора.

Форма статорного магнитопровода аналогична форме роторного магнитопровода. Только зубцов больше (оптимально — в два раза). В центральной кольцевой канавке уложена обмотка возбуждения магнитного поля. А на зубцах надеты рабочие катушки: на четных зубцах — прямой полярности, на нечетных — обратной. И все обмотки полностью залиты пластмассой для гидроизоляции (компаундом, например). Суть работы такого генератора состоит в создании поочередной пульсации величины магнитного поля в четных и нечетных рабочих катушках путем вращения ротора возле статора. Эта конструкция гидрогенератора проста и технологична. Если крыльчатку турбины делать из листового железа и стандартного металлопрофиля, а магнитопроводы отливать из магнитопласта на основе самополимеризующейся пластмассы (типа эпоксидной смолы), то производить их можно и в кустарных условиях.

С точки зрения максимальной эффективности продаж такого оборудования его нужно производить серийно и под предоплату. Что позволит, как минимум, вдвое снизить цену оборудования. Кроме того, можно создать фирмы, которые будут заниматься лизингом и обменом оборудования. Можно скупать бывшее в употреблении оборудование и перепродавать его новым покупателям. А это значительно упрощает жизнь начинающим предпринимателям, которые получат возможность, за минимальные деньги начать новое производство.

И напоследок — рынок сбыта таких гидрогенераторов намного больше, чем кажется. Дело в том, что засуха последних лет совсем не случайна. Гидрологи уже давно отмечают рост засушливости летней погоды. И давно призывают строить водохранилища для полива полей и подъема уровня подземных вод. Так что хотим мы этого или не хотим, а строить нашему обществу массу водохранилищ придется. Ну а там, где есть водохранилище, там есть место и такому гидрогенератору.

(Начало в ИР, 10, 2015)