Документ описывает метод бесплотинной энергетики, который позволяет извлекать энергию из рек без необходимости строительства плотин, что является экономически эффективным и экологически чистым решением. Приведены результаты испытаний микрогидроэлектростанций (микро-гэс) на реках горного Алтая, показывающие возможность получения до 100 кВт мощности. Расмотрены механические характеристики и преимущества переносных установок, которые могут быть установлены и введены в работу с минимальными усилиями.

1. 1

2. 11 ноября 2016
г. Новосибирск

3. Бесплотинная энергетика не требует
строительства дорогостоящих плотин, не
препятствует прохождению рыб и лодок и является
экономически предпочтительным и экологически
чистым способом извлечения энергии из потоков
воды, в полной мере сохраняющим жизнь в реке.
3
Особенности метода бесплотинной энергетики

4. Группой исследователей созданы и успешно испытаны на реках
Горного Алтая действующие образцы переносных погружных
бесплотинных микро-ГЭС киловаттного диапазона мощности.
Достигнута эффективность отбора мощности из потока около
W1 =1 кВт на квадратный метр сцепления турбины с потоком,
при скорости потока на турбине около 2 м/с.
Мощность,
кВт
Размеры
турбины, мм.
Скорость
свободного
потока, м/с
Минимальный
расход воды в
реке, куб. м/сдиаметр длина
0,5* 300 1800 2.5** 1,4
0,8* 500 1800 2,5** 2,4
1,3* 500 3000 2,5** 3,8
Техническое решение закреплено патентом РФ и
отмечено золотой медалью ВВЦ РФ.
4
Особенности метода бесплотинной энергетики

5. 5

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
РАБОТЫ ПОГРУЖНЫХ МИКРО-ГЭС
киловаттного диапазона мощности
Характер течения горных рек и
эффективный размер турбины
6

8. Основное и эффективное
положения турбины в потоке
8

9. Рис. 2 Распределение скоростей и глубины
потока по ширине реки
 Эффективная ширина потока, содержащая основную (около 0,8) часть его
мощности, равна половине его ширины в центральной части.
 Поэтому размер турбины, извлекающей главную часть мощности потока,
составляет половину высоты и половину ширины его быстротока, то есть ¼ его
сечения, принимая на себя 0,6*0,8=0,48, т.е. половину мощности потока.
9

10. Максимально извлекаемая
мощность из потока
Поскольку максимально возможный к.п.д.
извлечения энергии из свободного потока равен 0,59
(согласно формуле Н.Е. Жуковского), предельно
извлекаемая мощность отдельной бесплотинной ГЭС
в основном положении турбины составляет около
0,6*0,8*(0,59)2/3= 0,34, то есть около 1/3 мощности
потока. В эффективном положении (вблизи
поверхности - 0,34*1,33=0,45.
10

11. Эксперимент на реке
Чемалке в Республике
Алтай
11

12. Сборка каркаса микро- ГЭС, установленного на две лыжи из труб
12

13. Микрогэс в сборке на берегу. Вид со стороны набегающего потока.
13
Формирователь
Турбина
Генератор
Опорные
лыжи
Формирователь, под действием потока воды, прижимает
установку ко дну реки, стабилизируя, тем самым еѐ положение.

14. 14
Гидротурбина
• турбина состоит из 4х секций, повёрнутых относительно друг друга
на 90◦
• лопасти турбины, закреплены на торцевых дисках, которые
вращаясь под напором воды, меняют своё положение в потоке.
• высокой эффективность и простота изготовления
• устойчивость к внешним воздействиям - ударам топляка и иных
предметов.
D = 0,5 м – диаметр, L = 2,33 м – длина
S = 1,2 м2 – площадь сцепления с потоком
Нижняя лопасть прикрыта
формирователем
вращение турбины
поток
воды

15. Группа экспериментаторов у микро-ГЭС
15

16. 16
Введение микро-ГЭС в поток
Лжбждка
Лжбждка
Турбину вводили в поток с помощью двух лебждок: тяга до 500 кГ, трос 6,7
мм, L25м. Одна на сосне, привязанная вержвками, другая на
противоположном берегу, на 4-х кольях Ф25, H1,1м.

17. Ввод микро-ГЭС в поток, вид с другого берега
17

18. Гидротурбина в работе
18

19. Микро-ГЭС в потоке воды. Виден гусачок и
электрический кабель на берег. Вид сбоку.
19

20. Микро-ГЭС в потоке воды, вид со стороны
набегающего потока.
20

21. 21
Нагрузка – набор лампочек
мощностью 100 и 150 Вт (R=484
Ом и R=323 Ом, при U=220В,
соответственно). Напряжение
на нагрузке и ток через неё
измерялись стрелочными
приборами в эл. блоке.
Напряжение контролировалось,
также вольтметром, мощность
можно было воспринимать,
также, по накалу и количеству
горящих ламп.
Измерение электрической мощности

22. Лампы горят.
В нагрузке около 700 Вт.
22

23. 23
o Получена электрическая
мощность P ~ 760 Вт
o К.П.Д. системы генератор-
трансформатор ~ 0,6
o Механическая мощность самой
турбины P ~ 760/0,6=1270 Вт
o или 1 кВт на 1 м2 сцепления с
потоком.
Механическая мощность турбины в потоке. Оценка к.п.д.
• Скорость свободного потока ~ 2,5 м/с
• после установки турбины ~ 2,2 м/с
• расчётная мощность потока на турбину с
учётом спада скорости по глубине:
кВтSVW 49.3)5.272.0(2.110005.02/ 33
 
• поэтому её к.п.д. равен 1,27/3,49=0,37
• турбину поступает 0,6 от полной мощности
свободного потока
• извлекаемая часть его мощности равна
0,6*0,37=0,22, то есть близка к ¼.

24. 24
Получение большой мощности
бесплотинных ГЭС на быстротоках
Размеры турбины: D=2-2,5 м,
L= 5-6 м
Быстротоки рек Катунь и Урсул
• Тогда площадь сцепления с потоком может
быть увеличена в 2*6/1,2 =10 раз
• В летнее время вода движется со скоростью
около 5 м/с, а ширина и глубина быстротоков
близки к 10 и 5 метрам
• мощность потока возрастѐт в (5/2,5)3 = 8 раз.
• извлекаемая мощность увеличится в 10*8=80
раз и составит 1,3*80=104 кВт.
• В электрическую сеть, можно будет отдавать
около W 0 = 90 кВт с одного модуля.

25. 25
Каскад бесплотинных ГЭС
Быстротоки реки Катунь
скорость потока ~ 5 м/с,
ширина 10 м, глубина 5 м
длина быстротока ~ 1 км
шаг установки модулей ~ 250 м

26. 26
Построение каскада бесплотинных ГЭС
Поток воды
V0=5м/с 0.7V0 0.95V0 0.7V0
0.95V0
250 м 250 м 250 м
50 м 50 м50 м
0.95V0
Триада микроГЭС
Площадь турбины ~ 12-15 м2
Вес ~ 2-3 т
Pтриады ~ 200 кВт
W1
` ~ ¼ W0
Pкаскада ~ 0.8 МВт/км
Pкаскада/ Pплотины ~ 0.3
Скорость в зоне доускорения изначально покоящегося потока










0
12
0
2 x
x
eVxV )( sin/ gVx 2
2
00 
Оценка характерной длина зоны доускорения x0 (восстановление 2/3
энергии исходного потока)
Согласно уравнениям Шези и Железнякова при коэф. шероховатости для «русла
с каменной заброской» 0.03 угол наклона дна 3
10840 
 .sin
Откуда мx 1500 
где

27. 27
Работа сил сопротивления AL при изначально покоящемся потоке
под действием силы тяжести
L
x
eAA x
L
L
0
0
0
11









Эффективность Каскада бесплотинных ГЭС
где L – перемещение потока, A0 – работа при неизменной
установившейся скорости потока
Учитывая, что доускорение потока происходит от половинной энергии до
90 % от входной энергии в каскаде, можно получить, что работа сил
трения снижается на ≈ 45 % от максимальной работы сил трения в
незаторможенном потоке.
Тогда относительная эффективность каскада по сравнению с плотинной
ГЭС составит
0,5*0,45*0,9=0,2
При расположении турбины вблизи поверхности потока
эффективность каскада может возрасти до 25%

28. Лѐгкие переносные микро-ГЭС мощностью 0,5-1,5 кВт и весом
100-200 кГ, отличаются простой установкой с одного берега на
разворотной штанге под воздействием набегающего потока или
вводятся в поток с помощью ручной лебѐдки, и обеспечивают на
горных реках удельную мощность около 1кВт/м2. Аналогичные по
структуре оборудования стационарные установки мощностью до 15
кВт и весом в полторы тонны, требуют специальных устройств для
ввода и вывода гидроагрегатов из потока.
В Катунских летних быстротоках скорость течения достигает 5м/с,
когда удельная мощность W1 близка к 10 кВт/м2. Применяя турбину
диаметром около 2м и длиною около 6 м, с одной такой установки
весом 2-3 тонны, можно извлекать до 100 кВт мощности. При
широко распространѐнной скорости рек горной Катуни в 3м/с,
мощность установки с турбиной площадью 10 м2 составит 20 кВт.
Поставленные каскадом в летнем быстротоке такие установки
способны генерировать более 0,5 МВт на 1 км реки.
Каскад бесплотинных ГЭС, поставленный на той же базе, что и
водохранилище плотинной ГЭС может вырабатывать около 1/3 еѐ
электрической энергии, полностью сохраняя жизнь в реке. 28
Возможности метода бесплотинной
энергетики

29. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
29