Оценка технико-экономических показателей микрогидроэлектростанции адаптированной к низконапорным водотокам

В мире на сегодняшний день стремительное увеличение населения Земли послужило росту потребления электроэнергии, что привело к истощению природных ресурсов и изменению климата в результате сжигания природного топлива для выработки электроэнергии [1]. На решение этих проблем обратили своё внимание научноисследовательские институты, проявляющие большой интерес, направленный на повышение доли электроэнергии выработанной из возобновляемых источников энергии [2].

По данным отчета Renewables 2020 Global Status Report, доля выработки электроэнергии из возобновляемых источников энергии, таких как ветер, геотермальная энергия, биомасса, Солнце и гидроэнергетика составляет 27,3% [3]. Гидроэнергетика является крупнейшим в мире возобновляемым источником энергии, и составляет 15,9% всей вырабатываемой электроэнергии на планете оставляя на энергию Солнца и ветра долю в 8 процентов. В последнее годы для эффективного применения возобновляемых источников энергии, наряду с фотоэлектрическими, ветровыми, геотермальными и т.д. широкое применение получили малые гидроэлектростанции, применяемые как в водозаборных конструкциях [4] с высоким напором воды, так и в слаботочных водотоках рек, оросительных каналов [5-7]. На рис. 1 приведена доля возобновляемых источников энергии в мировом производстве электроэнергии.

Рисунок 1 - Доля возобновляемых источников энергии в мировом производстве электроэнергии

Согласно отчету International Hydropower Association пятерку лидеров по установленной мощности в 2020 году замкнули Китай (13760 МВт), Турция (2480 МВт), Индия (478 МВт), Ангола (401 МВт) и Россия (380 МВт). Узбекистан в этом рейтинге на период 2020 года занял 24 строчку с установленной мощностью 71 МВт [8].

Аму-Бухарский канал является важнейшим комплексом Республики Узбекистан, протекающий на территории Бухарской области. Ирригационная система Аму-Бухарского машинного канала является ответвлением реки Амударьи. протекающей на территории Республики Туркменистан, и представляет важнейший комплекс на территории Узбекистана, предназначенный для обеспечения водой Бухарской и частично Наваийской областей, берущий своё начало в точке с координатами 39.219845, 63.719540 от входного гидроузла «Двойник». Для эффективного применения микрогидроэлектростанции первоначально необходима оценка гидроэнергетического потенциала региона, где будет использована микрогидроэлектростанция. Ресурсы гидроэнергетического потенциала Аму-Бухарского машинного канала впервые были оценены со стороны исследователей Бухарского инженерно-технологического института методом «Энергетического дерева», который составил 200,2 ГВт·ч. Также в ходе оценки гидроэнергетического потенциала была построена схема (рис. 2) расположения магистральных и межхозяйственных каналов Бухарской области, построенная при помощи линейной схемы, взятой из управления Аму-Бухарского машинного канала, а также информации, полученной при помощи спутниковых данных на основании приложения Google Earth Pro [9].

Рисунок 2 - Схема расположения основных магистральных и межхозяйственных каналов Бухарской области

На основании оценки гидроэнергетического потенциала было установлено что ирригационная система Аму-Бухарского канала обладает хорошим гидроэнергетическим потенциалом состоящего из низконапорных водотоков со скоростью потока воды от 1-4 м/с. Исходя из этого нами была разработана гидроэнергетическая установка типа водяного колеса эффективно работающая в низконапорных водотоках, а также был получен патент на поленую модель от Агентства по интеллектуальности Республики Узбекистан (№ FAP 01884)[10]. На рисунке 3 представлен общий вид микрогидроэлектростанции.

1 - поплавок; 2 - металлическая рама; 3 - опора; 4 - горизонтальный вал; 5 - крюк; 6,7 - водяные колеса; 8 - лопасти; 9,10 - цилиндрические подшипники; 11 - тихоходный магнитоэлектрический генератор; 12 - якорь; 13,14 - индукторы; 16,29 - планетарные редукторы, 21,33 - флянцевые соединения; 22 - металлический диск, 24 - щетки с контактными кольцами

Рисунок 3 - Общий вид микрогидроэлектростанции

Разработанная гидроэнергетическая установка мощностью 1,5 кВт, предназначена для эффективной работы в низконапорных вотодотоках с возможностью прямой передачи электроэнергии потребителю.

В таблице 1 приведены технические характеристики разработанной гидроэнергетической установки:

Таблица 1

Номинальная мощность, Вт	1500
Работа при диапазоне скорости потока воды, м/с	1-4
Скорость вращения водяного колеса, об/мин	30-450
Коэффициент использования энергии воды, %	32
Напряжение, В	220
Ток, А	1-6
Диаметр водяного колеса, м	1
Ширина установки, м	2
Площадь одной лопасти, м 2	0,2
Масса, кг	80
Грузоподъемность понтонов, кг	150
Материал лопастей	сталь
Материал водяного колеса	металл
Материал понтонов	сталь

Стоимость электроэнергии, вырабатываемой гидроэнергетической установкой, а также общие капитальные затраты на установку зависят от рационального размещения устройства. При выборе точного места для установки водяного колеса необходимо: наличие ресурсов гидроэнергетического потенциала, статистический анализ данных о напоре, скорости и расходе потока воды, а также определение мощности потребителей, расположенных вдоль оросительного канала.

При определении экономической эффективности гидроэнергетической установки необходимо учесть затраты на изготовление, монтаж и ввод в эксплуатацию водяного колеса мощностью 1,5 кВт. Экономическая эффективность водяного колеса определяется по формуле:

SC = См + Си + С

тр

⁺ С гсу ⁺ С у ⁺ С ис ⁺ С пр ,

где, См — расходы, затрачиваемые на материал для изготовления конструкции, млн.сум; Си - расходы на изготовление конструкции, млн.сум; Стр - затраты на транспортировку, млн.сум; Сгсу - расходы на генератор и систему управления примененных в установке, млн.сум; Су - расходы на установку конструкции, млн.сум; Сис - расходы на введение в эксплуатацию, млн.сум; Спр - прочие расходы, млн. сум.

Определим общую сумму средств, затраченных на изготовление, монтаж и ввод в эксплуатацию гидроэнергетической установки типа нижнебойного водяного колеса, эффективно работающей в низконапорных водотоках оросительного канала, по приведенному выше выражению.

Общая сумма денежных средств (цены за 2022 год), затраченных на материал и изготовление конструкции – 3 млн. сум (265 долларов), средства, потраченные на сборку генератора и систему управления установки – 5 млн. сум (442 доллара), средства, потраченные на транспортировку и выплату заработной платы рабочим 1,5 млн.сум (133 доллара), прочие затраты: средства потраченные на монтаж и введение в эксплуатацию - 0,5 млн.сум (44 доллара). Всего для изготовления гидроэнергетической установки было потрачено 10 млн.сум (884 доллара).

Годовые эксплуатационные затраты гидроэнергетической установки определяются по следующему выражению [11]:

И ГЭУ = И ао ⁺ И тр ⁺ И зп ,                    (2)

где, И_ао - годовые амортизационные отчисления, млн.сум/год; И_тр - затраты на текущий ремонт, млн.сум/год; И_зп - заработная плата обслуживающего персонала, млн.сум/год;

Рабочий персонал обслуживает гидроэнергетическую установку два раза в год. Ежемесячная заработная плата, выплачиваемая работникам, оказывающим данную услугу, определяется следующим образом [12]:

И зп = 2 • n • П ,                                (3)

где, П — заработная плата за пол года, млн.сум; n — количество обслуживающего персонала.

Амортизационные отчисления гидроэнергетической установки определяются по следующему выражению [13]:

И ао = 0,029 • К гэу ,                         (4)

где, К_ГЭУ - себестоимость гидроэнергетической установки, сум;

Затраты на текущий ремонт гидроэнергетической установки определяются следу ющими выражением [13]:

100                 Агротехника и энергообеспечение. – 2022. – № 4 (37)

И тр = 0,03 • К гэу ,                          (5)

Средняя стоимость электроэнергии, вырабатываемой гидроэнергетической установкой, определяется по следующему выражению [14]:

C 1кВт•ч ас = (И ао + И тр + И зп )/Э год ,                       (6)

На основании вышеприведенных математических выражений в таблице 2 приведены показатели экономической эффективности гидроэнергетической установки мощностью 1,5 кВт. Также для сравнения в таблице 2 приведены технико-экономические показатели бензинового генератора мощностью 2,2 кВт применяемого на сегодняшний день в фермерском хозяйстве «Бухоро Чорво Омад» в целях удовлетворения потребностей в электроэнергии и данные расчетов солнечной электростанции мощностью 6,2 кВт взятой в качестве примера, которая способна также выработать 12000 кВт∙ч электроэнергии в год.

Таблица 2

Показатели	Разработанная гидроэнергетическая установка	Бензиновый генератор	Солнечная панель
Установленная мощность, кВт	1,5	2,2	6,2
Среднее количество вырабатываемой электроэнергии за год, кВт·ч	12000	12000	12000
Балансовая стоимость установки, млн.сум/($)	10/884	5/442	87,8/7721
Амортизационные         отчисления млн.сум/($)	0,29/26	0,15/13	0,4/35
Затраты на текущий ремонт, млн.сум/($)	0,3/26,5	0,15/13	1,35/120
Затраты на топливо, млн.сум/($)	-	66/5823	-
Эксплуатационные затраты, млн.сум/($)	0,59/52	66,3/5850	1,75/154
Стоимость             выработанной электроэнергии, 1 кВт·ч сум/($)	465/0,041	5525/0,49	150/0,013

Выводы

• 1.    В результате работы микрогидроэлектростанции мощностью 1,5 кВт в низконапорных водотоках со скоростью потока воды 4 м/с была достигнута выработка 12000 кВт·ч электроэнергии в год.

• 2.    Разработанная микрогидроэлектростанция была установлена и испытана в 20212022 годах на Куймазарском оросительном канале протекающего на территории фермерского хозяйства ООО “Бухоро Чарво Омад” расположенного в Бухарской области. Таким образом было достигнуто удоблетворение потребностей в электроэнергии на фермерском хозяйстве за счет бесперебойного и надежного электроснабжения.

• 3.    В результате внедрения разработанной микрогидроэлектростанции на фермерском хозяйстве, было сэкономлено 55,7 млн. сум затрачиваемые на топливо, сжигаемое двигателем внутреннего возгорания для выработки электроэнергии, около 9,834 т.н.э, и предотвращены выбросы в атмосферу более 14,64 тонн углекислого газа (CO 2 ).

R.A. Mamedov1*, G.N. Uzakov2

• ¹Bukhara Engineering Technological Institute,

  • 15, K. Murtazaeva str., 200100, Bukhara, Uzbekistan

• ²Karshi Engineering-Economics Institute,

  • 225, Mustakillik str., 180100, Karshi, Uzbekistan