Какие реки подходят для установки гидротурбин? Как выбрать?

Если рядом с вашим домом есть постоянно текущий ручей или река, то он, скорее всего, может стать потенциальной мини-ГЭС. По сравнению с солнечной и ветровой энергией главное преимущество гидроэнергии — её стабильность: при наличии водного потока электричество вырабатывается круглосуточно, независимо от продолжительности светового дня и погодных условий. Однократные затраты окупаются в течение многих лет.

Однако не каждая река подходит для установки гидротурбин. Возможность установки гидротурбины, её допустимые размеры и выбор конкретного типа в конечном счёте зависят от двух базовых параметров.

Два фактора, определяющих мощность генерации

Независимо от бренда или модели мощность генерации гидротурбины в основном зависит лишь от двух параметров:

Напор: вертикальное падение от точки забора воды до места установки гидротурбины, измеряется в метрах (м). Чем больше падение, тем выше давление воды.

Расход: объём воды, проходящий через сечение за единицу времени, измеряется в кубических метрах в секунду (м³/с) или литрах в секунду (л/с). 1 кубический метр в секунду = 1000 л/с.

Выходную мощность можно приблизительно рассчитать по следующей упрощённой формуле:

Мощность (кВт) ≈ 9,8 * Напор воды (м) * Расход (м³/с) * КПД

КПД обычно принимают равным 0,6–0,7 с учётом потерь водная турбина самого устройства и потерь на трение в водопроводной трубе.

Например: при напоре воды 20 м и расходе 0,05 кубического метра в секунду (50 л/с) расчётная выходная мощность составит примерно 9,8 * 20 * 0,05 * 0,65 ≈ 6,4 киловатта — этого достаточно для обеспечения электроэнергией бытового освещения, холодильников, телевизоров и водяных насосов.

Как видно из формулы, если напор воды или расход слишком малы, выходная мощность резко снижается. Именно поэтому даже при высокой скорости течения воды расчётная мощность может составлять всего несколько сотен ватт.

Три практических случая

Сегодня мы хотели бы поделиться с вами некоторыми актуальными решениями для наших недавних клиентов, которые могут служить для вас ориентиром при выборе гидротурбины.

1. Изобилие воды, но узкая труба

Один из клиентов обратился к нам с запросом о гидротурбине мощностью 5 кВт. Он сообщил, что напор воды составляет 30 м. Для предоставления ему решения нам требовались реальные данные, например, расход воды. В ходе дальнейшего уточнения выяснилось, что водопроводная труба уже проложена: используется труба DN50 с внутренним диаметром 50 мм, однако измеренный расход воды составил всего 3 л/с.

Мы применили расчётную формулу: 9,8 * 30 * 0,003 * 0,65 и получили мощность около 500 Вт — лишь одну десятую от необходимых 5 кВт.

Ограничивающим фактором является не напор воды, а диаметр трубы. Чем уже труба, тем выше скорость потока воды и тем больше потери на трение по длине трубы, а значит, тем ниже давление воды при поступлении к гидротурбине. Эту особенность часто упускают из виду, поскольку впечатляющие значения напора создают ложное впечатление, что выходная мощность гарантирована.

Мы предложили ему два варианта на выбор: первый вариант — установить напорный трубопровод большего диаметра и повторно оценить точку водозабора для увеличения расхода воды, тем самым обеспечив требуемую заказчиком выходную мощность. Однако этот вариант потребовал бы демонтажа трубопроводов, уже смонтированных заказчиком, и объём строительных работ оказался бы относительно большим. Второй вариант — выбрать микрогидротурбину мощностью от 500 Вт до 1 кВт с учётом существующих условий площадки и уже установленных трубопроводов.

2. Средний напор воды, тип гидротурбины определяет конечный результат

Ещё один заказчик интересовался использованием гидротурбины для электроснабжения жилых домов и рыбных прудов. Требуемая мощность составляла 10–15 кВт, трёхфазный ток, частота 50 Гц, напор воды на месте установки — 15 м.

Изначально заказчик интересовался наклонной гидротурбиной. Однако после анализа условий монтажа мы выявили проблему: при напоре 15 м максимальная мощность наклонной гидротурбины составляет 5 кВт; для получения 10 кВт требуется минимум 30 м напора. Условия площадки заказчика не позволяли выполнить это требование, поэтому пришлось выбрать другой тип гидротурбины.

Трубы турбина смешанного типа идеально соответствовала реальным потребностям заказчика. Модель мощностью 10 кВт рассчитана на диапазон напора от 10 до 25 м, а рекомендуемый диаметр всасывающего трубопровода — 200 мм, что практически идеально совпадало с условиями его площадки.

Поэтому выбор гидротурбины нельзя основывать исключительно на номинальной мощности; сначала необходимо проверить диапазон напора воды, соответствующий этой номинальной мощности.

3. Напор воды близок к нулю

Третий клиент описал небольшую реку, протекающую через его участок. Вода текла медленно и с очень небольшим уклоном. Он спросил, можно ли установить гидротурбину. Прежде всего необходимо уточнить истинное значение термина «нулевой напор воды»: действительно ли напор отсутствует полностью или же имеется разница в высоте в несколько сантиметров, просто незаметная невооружённым глазом? При движении вдоль реки от истока к устью обычно можно заметить некоторые перепады высот.

Если результаты измерений показывают, что перепад высот составляет менее 0,5 м, а скорость потока — менее 0,5 м/с, мы обычно не рекомендуем устанавливать гидротурбину, поскольку установка турбины, не способной обеспечить ожидаемую мощность, невыгодна для обеих сторон. В этом случае возможны два решения: можно построить небольшую плотину-перекрытие, чтобы искусственно создать небольшой перепад высот и обеспечить необходимые условия напора воды; либо изучить местные условия освещённости и рассмотреть возможность перехода на солнечную энергетическую систему.

Первым шагом при определении пригодности реки для выработки электроэнергии всегда является измерение напора воды и расхода потока. Если вы также хотите использовать близлежащие ручьи или реки в рамках планирования гидроэлектроэнергетических проектов, свяжитесь с нами — мы предложим индивидуальное решение.