Экономические показатели микроГЭС в значительной мере зави­сят от ее конструкции. Обычно микроГЭС содержит в своей конструк­ции такие обязательные элементы как гидротурбина, электромашинный генератор, система стабилизации выходного напряжения и ряд элемен­тов, наличие и конструкция которых зависит от типа и особенностей станции: определенные гидротехнические сооружения, запорная арма­тура, балластные нагрузки и т. д.

В качестве гидродвигателей, преобразующих энергию потока в механическую энергию приводного вала генератора, в той или иной степени используются все типы гидротурбин: поворотно-лопастные, ра­диально-осевые, импульсные, осевые, турбины с горизонтальной и на­клонной осями вращения и т. д. [35, 36].

Как правило, микроГЭС не требуют возведения сложных гидро­технических сооружений - плотин. Поэтому их турбины устанавлива­ются либо в свободном потоке воды, либо в специальном напорном трубопроводе. Для работы в свободном потоке воды применяют, в ос­новном, гидротурбины активного типа, типичным примером которых могут служить водяные мельницы. Достоинством активных турбин яв­ляется их максимальная простота и относительная жесткость механиче­ских характеристик. Тем не менее, низкая частота вращения и малый коэффициент полезного действия активных гидродвигателей ограничи­вает их применение в гидроэнергетике.

Напорный трубопровод позволяет повысить энергию рабочего по­тока воды, применять более эффективные типы гидротурбин реактивно­го типа. Очевидно, что мощность гидротурбины с напорным трубопро­водом не будет зависеть от водного режима реки, если ее минимальный сток превышает количество воды, поступающей в трубопровод. Диа­метр трубопровода и перепад высот между его верхней и нижней точ­кой определяют расчетную мощность станции. Трубопровод микроГЭС может выполняться из стальных, бетонных, резиновых и других труб, широко применяемых в оросительных системах. Его стоимость сущест­венно зависит от рельефа местности, определяя целесообразность при­менения микроГЭС, прежде всего в горных районах с большими укло­нами русла реки. Правильное использование рельефа местности, а так­же простейшие сооружения типа деривационных каналов, во многих случаях, позволяют уменьшить длину, и соответственно, и стоимость напорного трубопровода.

Существенным фактором, ограничивающим применение микро - ГЭС в северных широтах, являются ледовые явления. Выработка элек­троэнергии микроГЭС с напорным трубопроводом возможна в период открытого русла, поэтому крайне важное значение имеет достоверная информация о начале и окончании ледовых явлений.

Для определения технических и экономических критериев эффек­тивности электроснабжения от микроГЭС из кадастра гидроэнергетиче­ских ресурсов должны быть определены следующие основные показа­тели для предполагаемого места установки станции:

- средний уклон реки, АН (м/км);

- средний расход воды водотока в период летней межени, Q (м /с);

- средняя скорость течения в период летней межени, V (м/с);

- число часов в году с открытым руслом, Ч.

На первом этапе определяется техническая возможность приме­нения микроГЭС в данном месте. Возможности создания и/или ис­пользования имеющегося геометрического напора воды (Н) для выра­ботки энергии зависят, прежде всего, от рельефа местности, опреде­ляющего продольные уклоны рек на разных их участках. Благодаря не­одинаковой устойчивости подстилающих горных пород к размыву, тек­тоническим движениям и многим другим факторам, реки имеют не плавную форму, характерную для профиля равновесия, а изломанную форму продольного профиля. Соответственно, многие реки имеют ано­мальные уклоны, скорость течения воды на которых может намного превышать среднюю. Поэтому выбор конкретного места установки станции должен производиться с учетом карты аномальных уклонов рек для данной территории.

Средняя скорость течения реки может значительно изменяться в зависимости от времени года, и минимальна, как правило, в период ле­достава и летней межени. На данном уровне развития техники, техниче­ская реализация проекта электроснабжения автономного объекта от микроГЭС возможна при минимальной скорости течения водотока в месте установки станции Vmin (м/с) более 1 м/с.

На втором этапе анализа определяется мощность установки, кото­рая может быть установлена на данном водотоке. Работа водного потока осуществляется под действием силы тяжести, точнее, ее проекции на направление движения, поэтому действие воды определяется разностью уровней воды в начале и конце рассматриваемого участка реки. При разности уровней Н (м) на длине участка L (м) и среднем расходе воды Q (м /с), мощность микроГЭС Р (Вт), которую можно установить на рассматриваемом участке составит:

р = np gQH (Вт),

где n - коэффициент полезного действия гидроэлектроагрегата; p - плотность воды, кг/м ; g - ускорение свободного падения, м/с.

Коэффициент полезного действия гидроэлектроагрегата зависит от n турбины и электрического генератора и в расчетах принимается равным 0,75; плотность воды p = 1000 кг/м, g = 9,81 м/с.

Величина напора, который может обеспечить водоток, Н (м), оп­ределяется из предположения, что максимальная длина напорного тру­бопровода не должна превышать 200 м, иначе его сооружение экономи­чески не целесообразно. Максимальная длина рабочего трубопровода ограничена превышением его стоимости над полнокомплектным обо­рудованием станции при длине более 200 м:

Нтах = 0,2 АН (м).

Величина рабочего напора гидроагрегата предварительно опреде­ляется по среднему уклону русла реки из следующих пределов:

Н = 4 м, при АН = 1,0 - 4,0 м/км; Н = 10 м, при АН = 4,0 - 10,0

м/км;

Н = 20 м, при АН > 20,0 м/км. При значениях АН < 1,0 м/км следу­ет использовать конструкцию микроГЭС без напорного трубопровода.

Расчет капитальных затрат

Капитальные затраты на микроГЭС напрямую связаны с ее мощ­ностью. Однако, стоимость 1 кВт установленной мощности электроус­тановки с увеличением полной мощности станции, как правило, умень­шается. В связи с этим, в расчетах выделяются 3 диапазона мощностей микроГЭС с разной удельной стоимостью 1 кВт установленной мощно­сти:

Р < 10 кВт, Кусгуд = 25000 р./кВт;

10 кВт < Р < 50 кВт, Куст уд = 20000 р./кВт;

50 кВт < Р < 100 кВт, Кустуд = 15000 р./кВт.

Исходными данными для определения удельной стоимости 1 кВт установленной мощности микроГЭС является стоимость продукции ве­дущих российских фирм разработчиков и производителей оборудования для малой гидроэнергетики. Комплектность поставки, массогабаритные характеристики и стоимость микроГЭС с пропеллерными и диагональ­ными турбинами АОЗТ «МНТО ИНСЭТ» приведены в литературе [8].

Продукция зарубежных фирм имеет стоимость в 1,5-2,5 раза вы­ше отечественных аналогов.

Существенной особенностью микроГЭС являются значительные различия в конструктивном построении станций на малые, до 2 м, и большие напоры. Наиболее эффективны для микроГЭС быстроходные пропеллерные турбины, выпускаемые отечественными производителя­ми на напоры от 2 м и выше. На малые напоры наиболее перспективным вариантом является применение погружных свободно-поточных гидро­турбин, использующих для получения мощности скорость течения воды в водотоках. В России опыт изготовления поперечно-струйных и сво­бодно-поточных турбин имеет, например, Санкт-Петербургская фирма «Энерго-Альянс» [30], специализирующаяся на проектировании тур­бин, способных при низких напорах пропускать большие расходы и производить значительные мощности. Погружные гидроагрегаты на ос­нове свободно-поточных турбин не требуют значительных затрат на строительные и монтажные работы по установке станции на месте, но удельная стоимость комплектных установок на их базе значительно выше.

Ориентируясь на цены компании «Энерго-Альянс» в расчетах для микроГЭС, устанавливаемой на водотоках на напоры до 2 м, принята следующая удельная стоимость 1 кВт установленной мощности энерго­установки:

при АН < 1,0 м/км, Кусгуд = 50000 руб/кВт.

Определив установленную мощность станции, и выбрав соответ­ствующую ей удельную стоимость установки, можно найти полную стоимость комплектного гидросилового оборудования:

Куст _ Kуст. уд ' P •

Стоимость проектных работ по определению места установки станции на местности практически не связана с ее мощностью и может приниматься постоянной, зависящей только от минимального размера оплаты труда (МРОТ): Кпр = 50 • МРОТ.

Стоимость строительных и монтажных работ по установке стан­ции на местности К стр определяется в зависимости от полной установ­ленной мощности микроГЭС Р и среднего уклона реки АН. Для этого в расчетах применяются следующие коэффициенты:

kp - коэффициент затрат на установку станции (о. е.), в расчетах принимается постоянным, равным 0,05;

&н - коэффициент, учитывающий изменение затрат на установку станции в зависимости от среднего уклона русла реки (о. е.), в первом приближении может быть принят: при АН < 1,0 м/км, &н = 0,5; при АН = 1,0 - 4,0 м/км, кн = 1,0; при АН = 4,0 - 10,0 м/км, кн = 0,8; при АН > 10,0 м/км, кн = 0,4.

Значительный разброс в значениях коэффициента, учитывающего стоимость строительных работ в зависимости от среднего уклона русла реки объясняется резким уменьшением длины напорного трубопровода и затрат на его монтаж с увеличением напора. При малых напорах, до 2 м, применяется принципиально другая конструкция станции, затраты на установку которой значительно ниже.

После определения поправочных коэффициентов, стоимость строительных и монтажных работ по установке станции определяется из выражения:

К стр кн кН К уст.

Количество кВтч электроэнергии, которое способна выработать станция в год, определяется из выражения:

W = Ч Р, кВт ч.

8760

Расчет эксплутационных расходов

В качестве основного гидросилового оборудования микроГЭС ис­пользуются гидротурбина, электрический генератор и система автома­тического управления, срок службы которых составляет, как правило, от 10 до 25 лет. Соответственно, в расчетах принимается значение Т = 15 лет.

Топливная составляющая в эксплутационных расходах при полу­чении электроэнергии от микроГЭС принимается равной нулю.

Так как современные конструкции микроГЭС обеспечивают пол­ностью автоматизированный режим работы, то годовые расходы на экс­плуатацию станции сводятся к периодической ревизии и чистке водо­заборного устройства и смазке механических вращающихся частей ус­тановки. При этом величина расходов на эксплуатацию станции практи­чески не зависит от её мощности и конструктивного выполнения. В свя­зи с этим, в расчетах величина расходов на эксплуатацию станции лю­бой мощности принимается постоянной, зависящей от минимального размера оплаты труда (МРОТ): С экс = 36МРОТ.

Величина затрат на ремонт определяется в зависимости от стои­мости комплектной установки и стоимости строительных и монтажных работ по установке станции:

где к рем - коэффициент затрат на ремонт (о. е.), принимаемый в расче­тах равным 0,2.