Производство электроэнергии на основе малых гидроэлектростанций

За последние несколько лет в мире значительно возросло производство энергии, производимой различными возобновляемыми ресурсами, в том числе электростанциями, использующими энергию рек. В последнее время такие вопросы, как глобальное потепление, таяние ледников и извлечение энергии из водного потока находятся в центре внимания ученых и разработчиков. Выработка электроэнергии на основе свободно текущего потока является одним из наиболее доступных вариантов, поскольку практически в каждом месте планеты существует множество объектов, в которых возможна эксплуатация местных рек с использованием гидротурбины. Гидроэнергетика считается одной из наиболее эффективных вариантов, применяемых для решения современных насущных энергетических проблем. Системы, основанные на гидроэнергетике, предназначены для производства энергии за счет падающего или движущегося с определенной высоты потока воды. Количество вырабатываемой энергии зависит от скорости падения воды в зависимости от силы тяжести, высоты падения или напора, эффективности или КПД гидротурбины и т. д. Генерация механической энергии происходит за счет воздействия потока воды на лопатки гидротурбины.

Сегодня гидроэлектростанции обеспечивают мировое производство электроэнергии свыше 60 % в возобновляемой энергетике и 16 % в общем производстве [1]. Применяемые гидроэлектростанции в значительной степени используются на реках и водопадах для выработки электроэнергии от 5 до 100 кВт [2]. Гидротурбина может быть также установлена в русле реки для выработки электроэнергии 5 – 100 кВт с эффективностью 70 – 90 %. Энергия, полученная с использованием таких энергосистем, может поддерживать жизненные потребности отдельных групп людей и целый ряд видов человеческой деятельности, таких как транспорт, связь, инфраструктура и т. д. [3, 4].

Для имитации модульной системы генерации в данной статье предлагается модель энергосистемы, включающая гидротурбину, обеспечивающую выдачу электроэнергии для определенной нагрузки. В сравнении с расширением существующей сети, то есть повышением мощности традиционной, имеющейся в распоряжении энергосистемы, работа которой основана на использовании ископаемого топлива, предложенная система является более дешевой и возводится значительно быстрее [5].

Программное обеспечение HOMER

Программный пакет HOMER является одной из лучших программ оптимизации мощности и пользуется широким спросом во всем мире. Программа разработана и реализована инженерами компании Mistaya, специализирующейся на разработке и внедрении программных продуктов в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в США [6]. Программное обеспечение предназначено для решения проблем, связанных с проектированием комбинированных сетевых подключений на основе различных, в том числе возобновляемых генерирующих компонентов [7]. Несложный подход и удобный интерфейс HOMER привлекает разработчиков благодаря все возрастающим потребностям в проведении расчетов в том числе и гибридных энергокомплексов [8].

Цель работы

В данной статье предложена новая энергосистема, обеспечивающая электроснабжение определенной нагрузки, определяемой небольшой деревней под названием Кара-Бег [9]. Система разработана на основе гидроэлектростанции – единственного генерирующего компонента, относящегося к возобновляемой энергетике. Особенность системы заключается в том, что в нормальном режиме работы гидроэлектростанция должна обеспечивать электроснабжение одного отдельно взятого поселка, но при экстремальных ситуациях может увеличивать выработку электроэнергии в том числе и для внешних потребителей с покрытием соответствующих пиков энергопотребления.

Нагрузка потребителя имеет пиковую мощность 17 кВт. Координаты деревни Кара-Бег 39°57′151″ северной широты (СШ), 42°53′14″ восточной долготы (ВД). Она расположена на высоте 299 м над уровнем моря около города Алтун-Копр [10].

Расположение гидроэлектростанции

Исток реки Заб находится на горе Загрос, расположенной в Иране на высоте 9843 фута (3000 м). Река течет по северо-западному склону горы, который является достаточно высоким для создания напора, и далее вдоль горных склонов через долины. Река достигает южной равнины Дукан, где меняет свое направление на западное. Далее река поворачивает на юго-запад, протекает через город Алтун-Копр и впадает в реку Тигр около города Аль-Заб. Реки Бане и Кала Чулан являются притоками Заба выше Дукана. Стоит отметить, что в равнине Раня, которая в настоящее время затоплена озером Дукан, есть несколько небольших малых рек, которые впадают в Забу. Длина реки Заб составляет 402 км (250 миль), бассейн 22 000 км2 (8,494 мили2) [11]. Река располагается в месте, показанном на снимке карты Google (рис. 1), с координатами 35°14′17″ СШ и 43°26′11″ ВД, которые могут быть указаны в десятичной форме как 35,238056; 43,436389, в Ираке.

Потребляемая нагрузка

Потребление энергии составляет 156 кВт·ч в сутки. Пиковая мощность нагрузки может составлять 17 кВт. График усредненного потребления на 24 ч приведен в табл. 1.

Формирование энергосистемы

На рис. 2 приведена модель энергосистемы с электроснабжением от гидроэлектростанции на основе расхода воды 50 л/с.

Рис. 1. Снимок реки Заб на карте Google

Альтернативные источники энергии

Таблица 1

Нагрузка потребителя почасовая

Часы	Нагрузка, кВт	Часы	Нагрузка, кВт
00:00–01:00	3,000	12:00–13:00	8,000
01:00–02:00	3,000	13:00–14:00	8,500
02:00–03:00	3,500	14:00–15:00	8,500
03:00–04:00	4,000	15:00–16:00	8,500
04:00–05:00	4,000	16:00–17:00	8,500
05:00–06:00	4,500	17:00–18:00	8,000
06:00–07:00	5,000	18:00–19:00	7,000
07:00–08:00	5,500	19:00–20:00	6,000
08:00–09:00	6,000	20:00–21:00	5,000
09:00–10:00	6,600	21:00–22:00	4,000
10:00–11:00	7,000	22:00–23:00	3,500
11:00–12:00	7,500	23:00–00:00	3,000

Нагрузка 156 кВтч/д 17 кВт (пик)

пт

Рис. 2. Модель гидроэлектрической системы

Гидроэлектростанция

Гидротурбина рассматривается как основной компонент выработки электроэнергии для обеспечения питания нагрузки. Модель гидроэлектростанции построена в программном пакете HOMER на основе методологии OFF-river (непогружная модель). Модель использует усредненную ежемесячную информацию о потоке [12], которая приведена на рис. 3.

Спецификация затрат гидроэлектростанции на срок службы 25 лет:

• •    первоначальные капитальные затраты 8000 долларов;

• •    стоимость монтажа 3000 долларов;

• •    эксплуатационные расходы около 200 долларов в год.

  

  Рис. 3. Информация о потоке

  
  

Принцип работы

Природные изменения в большинстве географических районов значительно влияют на объем производимой энергии за счет изменения ресурсов возобновляемых источников и особенно в области гидроэнергетики рек. С вырубкой лесов реки мелеют, заиливаются и перестают рассматриваться в виде гидроэнергетических объектов. Поэтому необходимо аккуратно подходить к любым изменениям ландшафта, инфраструктуры, планирования лесозаготовительных мероприятий и т. д. Соответственно, необходимо тщательно продумывать структуру гидроэлектростанции и ее место расположения, принимая во внимание площади возможного затопления, роста расхода потока в период таяния ледников и сезона дождей, путей нереста рыбы и многое другое в соответствии с местным законодательством.

Принцип работы любой гидроэлектростанции (ГЭС) основан на преобразовании кинетической энергии потока воды в электрическую энергию. Основным способом регулирования качества электроэнергии (фазы, частоты, амплитуды тока) является управление открытием водяного клапана для регулирования расхода и скорости потока, как показано на структурной схеме гидроэлектростанции (рис. 4).

Производственная мощность ГЭС является производной ряда различных физических величин, таких как потенциальная энергия от напора воды на плотине и кинетическая энергия движения потока реки. Турбина является преобразователем кинетической энергии потока воды во вращательное движение вала турбины. Крутящий момент на валу равен произведению силы давления воды на радиус лопаток турбины, а генерируемая мощность равна крутящему моменту на валу, умноженному на угловую скорость вращения вала. Для большей наглядности приведена диаграмма на рис. 5.

Тангенциальная скорость жидкости выражается формулой

• V = q cos в ,                                (1)

где q – скорость жидкости; β – угол падения.

Для в ычисления выходной мощности гидротурбины ГЭС необходимо рассчитать крутящий момент:

T = p Q ( r_BX Vx - Г вых V _BbIX ),                   (2)

вх вх вых вых где Q – скорость потока жидкости; ρ – плотность жидкости; индексы «вх» и «вых» означают параметры на входе и выходе турбины.

Также необходимо рассчитать непосредственно саму мощность турбины:

P =ω⋅ T =

• = top ^{Q (} r ex q вх ^{cos в} вх ^{- г} вых q вых ^cos Р вых ),    (3)

где r – радиус турбины; ω – рациональная скорость турбины; T – крутящий момент; P – выходная мощность.

Рис. 4. Структура ГЭС

Рис. 5. Основные параметры турбины

Альтернативные источники энергии

Производительность и затраты

На основе рассчетов исследуемая система в номинальном режиме производит энергию 12,3 кВт от одной гидротурбины со следующими параметрами (одним из основных является гидростатический напор):

• •    гидростатический напор или высота падения потока (расстояние, на которое источник воды должен упасть до точки генерации энергии) = 25 м;

• •    расчетная скорость потока = 50 л/с;

• •    потери эффективности = 5 %.

Оценка производительности и затрат для исследуемой системы приведена на рис. 6 и в табл. 2.

В табл. 2 приведено также сравнение с вари- антом, когда производится расширение существующей магистральной сети (строительство генерирующих мощностей, линий электропередачи, подстанций, трансформаторов и т. д. – то есть всей традиционной генерирующей инфраструктуры).

На основе анализа и подбора различных параметров окончательный идеальный результат получен в программном пакете HOMER. Данный результат свидетельствует о том (см. табл. 2), что предлагаемая автономная система на основе ГЭС дешевле, чем расширение магистральной сети по аналогу с [13] на 6,20 км. Демонстрация экономического расчета в пакет HOMER приведена на рис. 7.

Рис. 6. Результаты производства электроэнергии

Таблица 2

Производительность и затраты

Номинальная мощность, кВт	Результаты деятельности
	Производство электроэнергии, кВт·ч/год	Избыток электроэнергии, кВт·ч/год	Избыток электроэнергии, %	Расширение сети, км
12,3	153,073	96,133	62,8	– 6,20
	Результаты затрат
	Начальные капиталовложения, $	Эксплуатационные затраты, $/год	Итоговые приведенные текущие затраты, $	Стоимость электроэнергии, $/кВт·ч
	8000	200	10,557	0,015

Рис. 7. Стоимость расширения магистральной сети

Выводы

Данная статья демонстрирует новую модель гидроэлектростанции, которая отличается низкой стоимостью и устойчивой электрогенерацией. Энергетическая система основана на одной гидротурбине, установленной в определенном месте с определенными экологическими требованиями. Для большей вероятности внедрения результатов исследований следует добавить следующее.

• 1.    Эксклюзивная малая гидроэлектростанция предназначена для обеспечения небольшого поселка необходимой энергией.

• 2.    Параметры и стоимость предлагаемой энер-

• гетической системы на основе гидроэлектростанции вполне соответствуют потребностям поселка.

• 3.    Сравнение с альтернативным способом расширения магистральной сети показывает, что предлагаемая автономная гидроэлектростанция дешевле, чем расширение существующей сети. Кроме того, автономная система сама по себе экологична и, таким образом, является частичным решением экологических проблем.

• 4.    Наконец, гидроэлектростанция имеет избыточную выработку электроэнергии, в связи с чем может использоваться для подачи и покрытия большего количества потребителей.