Разработка эффективной микрогидроэлектростанции с вертикальной осью вращения для низконапорных водотоков

Введение. В мире одним из ведущих направлений в энергетике является использование возобновляемых источников энергии, особенно на насосных станциях, в экономии электроэнергии и повышении надежности электроснабжения. "В стратегии развития мировой энергетики в период с 2021 по 2030 год планируется направить 2,56 миллиарда долларов США на установку гидроэнергетических установок малой мощности и увеличить показатели использования на 2,8%". В связи с этим актуальна разработка и внедрение в практику микрогидроэлектростанций с вертикальной осью, адаптированных к низконапорным водотокам[1].

В мире проводятся научные исследования, направленные на разработку микроГЭС с вертикальной осью вращения, адаптированных к переменным расходам и напорам потока воды насосных агрегатов, обоснование механических, энергетических, гидрологических и конструктивных параметров и повышение их эффективности. В связи с этим разработка микроГЭС с вертикальной осью вращения, адаптированных к низконапорным водотокам, моделирование режимов работы и конструктивных параметров, совершенствование метода повышения эффективности многополюсных магнитоэлектрических генераторов для гидроэнергетических установок, на основе алгоритма определение оптимального угла наклона лопастей гидротурбины, особое внимание уделяется разработке математической модели определения оптимальной скорости вращения и максимального полезного КПД рабочего колеса, обоснованию их основных энергетических параметров а также внедрения их на практике [ 2,3].

По данным Международного энергетического агентства (IEA) и Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) на долю гидроэнергетики приходится наибольшая доля возобновляемых источников энергии. По итогам 2022 года объем выработанной электроэнергии гидроэлектростанциями мира составил более 4408 ТВт·ч. (рост на 3,7% по сравнению с 2021 годом). Таким образом, гидроэнергетика составляет 15% мирового производства электроэнергии. Кроме того, в последние годы гидроэнергетика все чаще используется как один из старейших и наиболее надежных источников возобновляемой энергии. В 2022 году в мире было введено более 34 ГВт новых гидроэнергетических мощностей, а общая мощность увеличилась до 1397 ГВт, на 2,7% по сравнению с 2021 годом. Впервые с 2018 года в период 2022 года было введено более 30 ГВт новых мощностей. На рисунке 1 показана динамика роста гидроэнергетики в мире в 20182022 гг. [4,5].

Рисунок 1 - Динамика роста гидроэнергетики в мире в 2018-2022 гг.

Проанализируем научные исследования, проводимые в мире и в Узбекистане по разработке гидроэнергетических установок с вертикальной осью вращения для повышения их эффективности в низконапорных водотоках:

Польский учёный Д. Борковский в своей исследовательской работе разработал модель микрогидроэнергетической утановки, работающей при изменчивом потоке воды. В исследовании использовались гидротурбина пропеллерного типа с направляющим аппаратом, а в качестве электрогенератора был применен магнитоэлектрический синхронный генератор. В исследовательской работе был определен номинальный коэффициент полезного действия равный η= 0,75, при этом угол входа потока воды в рабочее колесо радиусом 0,33 м составляет 148°, номинальный расход воды - 3,5 м ³ /с, номинальный напор воды - 3 м [6].

Гидроэлектростанцию спроектировали французские ученые Цзянь Чжан и другие. В исследовательской работе по проектированию гидроэлектростанции французские ученые Цзянь Чжан и др. привели характеристики зависимости энергетических параметров скорости турбины при радиусе гидротурбины Каплана 1 м, расходе воды 1-20 м ³ /с и изменении скорости вращения турбины в диапазоне 0-200 об/мин. По соотношению механической мощности гидротурбины и мощности потока воды определен коэффициент полезного действия в зависимости от расхода потока воды и скорости вращения. В результате научных исследований оно основано на том, что мощность гидротурбины при оптимальной частоте вращения составляет 200 кВт, а коэффициент полезного действия составляет около 80 % [7].

Лахдар Белхаджи и др. в ходе исследовательской работы спроектировали микрогидроэлектростанцию, работающую на переменных потоках воды. Данная установка состоит из аппарата, направляющего поток воды, гидротурбины пропеллерного (полукаплановского) типа и электрогенератора. Представлен график зависимости коэффициента полезного действия от угловой скорости при различных значениях расхода воды в разрабатываемой микроГЭС. На основе этого графика установлено, что КПД турбины находится в пределах 65-85% при расходе воды 0,11-0,18 м ³ /с и изменении угловой скорости в диапазоне 0-2700 рад/мин [8].

А.Б. Мамаджанов в своих исследованиях разработал гравитационно-вихревую микрогидроэлектростанцию. На этой станции за счет перевернутых конусных лопастей при напоре потока воды внутри цилиндрического бассейна 1,7 м и расходе воды 1,466 м ³ /с достигнуто увеличение мощности установки до 17,6 кВт и КПД 85% [9].

О.О. Бозаров в своей диссертации создал микрогидроэлектростанцию с реактивным гидроагрегатом для электроснабжения сельского хозяйства. Технические параметры данного устройства: напор воды 2 м, расход воды 200 л/с и мощность 2,35 кВт. На этой ГЭС используется асинхронный генератор [10].

Д.Б. Кодиров в своей докторской диссертации разработал систему комбинированного использования солнечной и водной энергии для рассеянных сельских и водных потребителей энергии. В его работе была предложена солнечно-гидроэлектростанция с учетом объёма и скорости потока воды, мощности и времени солнечного излучения. Данная установка мощностью 4,5 кВт предназначена для генерирования в среднем 0,84...1,39 кВт·ч электроэнергии с использованием солнечной и водной энергии с учетом различных погодных условий [11].

Несмотря на достигнутый успех, для потоков воды от насосных агрегатов с переменным расходом и напором потока воды с аппаратом направления потока воды, многополюсный усовершенствованный магнитоэлектрический генератор - размещается в специальном бассейне, где поток воды вращается для равномерного распределения. передача потоков воды из трубопровода насосного агрегата на лопасти устройства, а исследования по разработке и обоснованию параметров микро-ГЭС с вертикальной осью, установленной под оптимальным углом в целях снижения сил гидравлического сопротивления, недостаточно изучены.

Несмотря на положительные результаты данных исследований, недостаточно проведены исследования по разработке микрогидроэлектростанции с вертикальной осью вращения с лопастями установленными под оптимальным углом наклона служащие для уменьшения гидравлических потерь, направляющим аппаратом обеспечивающего равномерную подачу потока воды на лопасти гидротурбины, с применением усовершествованного многополюсного магнитоэлектрического генератора.

Цель исследования

разработка и обоснование параметров микрогидроэлектростанции с вертикальной осью вращения, адаптированной к потокам воды и эффективно работающей в низконапорных водотоках.

Гидроэнергетическая установка 1 работает работает следующим образом (рис.2): Над водным потоком оросительного канале 2 установлена металлическая рама 3, на которой закреплен неподвижный вертикальный вал 5 с гидротурбиной приводящийся во вращение за счёт потока воды выходящего из трубы 4 насосного агрегата. При взаимодействии потока воды с бассейном 7 в котором установлен направляющий аппарат 8, поток воды получает вращательное движение. В результате прохождения потока воды через направляющий аппарат 8 начинается равномерное вращение верхнего рабочего колеса 10 по часовой стрелки. Поток воды стекший с лопастей верхнего рабочего колеса 10 попадает на направляющие лопастки 17 закрепленные на неводвижном валу 5, который предназначен для направления потока воды на нижнее рабочее колесо 13 для вращения его в направлении против часовой стрелки. Вернее рабочее колесо посредством ременной передачи 28

приводит во вращение металлический диск 26, который соединен с якорем электрогенератора с помощью втулок 27. В результате чего якорь 22 генератора 24 получает вращающееся движение по часовой стрелке. Нижее рабочее колесо через ременную передачу 29 приводит во вращение флянцевое соединение, соединенное с индукторами 19,20 электрогенератора посредством болтов. В результате чего индуктор генератора состоящий из постоянных магнитов 21 получает вращающееся движение против часовой стрелке. Напряжение, выработанное на трехфазной обмотке 23 якоря 22 генератора, передаётся через кабель на щетки 30 с контактными кольцами 31. В результате противоположного вращения якоря 22 и индукторов 19,20 аксиального магнитоэлектрического генератора 24 в получение высокой электромагнитной мощности противоположные стороны, достигается [12].

a)

б)

Риснок 2 - а) внешний вид разработанной гидроэнергетической установки; б) лопасти установки и направляющей поверхности

Материалы и методы исследования

Математическая модель зависимости энергетических показателей гидроэнергетической установки с вертикальной осью от изменения напора и расхода потока воды выглядит следующим образом [13,14,15]:

~ тт            885 , 5    N-JP

P = ^{] -} p ^{- g - Q -} H;    ^Ns = _h02S = ц_5/4

_ N_s - H^⁴          _ 84 , 5 - 0 -JH

^N JP ; ^{D run}        N

0 = 0,0242 - N^³; d_h ub = m - D^ n

Q = - (D^n

4 i un

—

У = —-—

^W1    p -QU avg

^d hub ) ’ ^У /1 ; ^У /1 = _s = ^r_D2 __d2 \ ^d     ₄{ ^и гип ^u hub )

j j _ ^— • ^ avg •N

; ^{U av} g =     60

Q              V f1 О         + ^Vf2        + Vf1

0 1 = arc tg ^J   ; 0₂ = arc tg-f- = arc tg-^-

^U 1 - ^V W1                   ^U 2               ^U 1

t = -^; sOut = 0,75 -t ssin = 1,3 -t; в = 1800 — 0

где: ] - коэффициент полезного действия турбины; р - плотность воды, кг/м3; g -ускорение свободного падения, м/с2; Q - расход потока воды, м3/с; H - напор воды, М, N -скорость вращения турбины, об/мин, m - междиаметровая зависимость, определяется в зависимости от напора потока воды, V/1 - скорость потока воды, м/с, Davg- диаметр гидротурбины, м, Z - количество лопастей рабочего колеса, определяемое на основе напора потока воды и междиаметровой зависимости.

На рисунке 3 представлена модель лопастей гидротурбины, разработанная в программе SolidWorks. Для определения оптимального угла наклона лопастей был использован треугольник скоростей.

б)

Рисунок 3 - а) спроектированная модель гидротурбины в программе Solidworks , б) треугольник скоростей для определения оптимального угла наклона лопастей гидротурбины

a)

Результаты и обсуждения. На рисунке 4 показаны результаты определения механических параметров разработанной гидротурбины с вертикальной осью, построенной в программе Solidworks. При оценке скорости вращения лопастей гидротурбины учитывалось изменение напора, скорости и расхода потока воды.

а)

Рисунок 4 - а) динамика изменения расхода воды в гидротурбине, б) динамика изменения

б)

расхода воды сверху

На рисунке представлена система MATLAB, использованная для моделирования зависимости скорости потока воды, изменение напора и расхода потока воды от оптимального угла наклона лопастей, скорости вращения и наружного диаметра лопастей гидротурбины. При этом входные параметры мощности приняты 10...50 кВт, напор воды 1...3 м, коэффициент полезной действия 0,85, количество лопастей 6, угол направления скорости потока воды, воздействующего на лопасти гидротурбины 5°.

Рисунок 5 - Моделирование гидротурбины в системе MATLAB

На рис. 6 показаны кривые зависимости мощности гидротурбины от расхода воды и внешнего диаметра. Согласно которому, напор воды составил 3 м, коэффициент полезной работы 0,85, количество лопаток турбины 6, угол направления скорости потока воды, воздействующей на лопатки турбины 5°.

На рис. 7 представлена кривая зависимости КПД гидротурбины от оптимального угла наклона лопастей. Для получения данного результата были использованы математическое уравнение (1) и модель на рисунке 5. Согласно этому, максимальная эффективность была достигнута за счёт установки лопастей гидротурбины под оптимальным углом наклона равному 55°.

2,5

1,5

0,5

МОЩНОСТЬ ГИДРОТУРБИНЫ, КВТ

Рисунок 6 - Кривые зависимости мощностей гидротурбины от расхода потока воды и

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента полезной действия гидротурбины от

На

оптимального угла наклона лопасти рисунке 8 представлено экспериментальное

исследование

микрогидроэлектростанции с вертикальной осью, адаптированной к насосным установкам.

Рисунок 8 - Экспериментальная установка микроГЭС с вертикальной осью

При этом наружный диаметр гидротурбины составляет 0,3 м, количество лопастей 6, угол установки лопастей 55º, диаметр направляющего аппарата 1 м, количество направляющих поверхностей 16. В результате практических испытаний разработана микроГЭС с вертикальной осью мощностью 3 кВт при низконапорных водотоках с напором потока воды 1м и расход воды 0,25 м ³ /с, была достигнута выработка 19500 кВт

электроэнергии в год. На разработанную установку получен патент на изобретение Министерства юстиции Республики Узбекистан «Гидроэнергетическое устройство вертикальной оси, IAP 07462, от 17.08.2023» [16,17].

Вывод.

Анализ исследований по использованию энергии потока воды в мире показал, что это важное стратегическое направление в снижении негативных последствий энергетического кризиса, эффективном использовании энергетических ресурсов, стабилизации экологических проблем, развитии социально-экономических сфер и решения проблем имеющихся в данной сфере. Обоснована возможность выработки мощности в пределах 1...50 кВт, за счёт применения гидроэнергетической установки с вертикальной осью вращения адаптированной к низконапорным водотокам с переменчивым потокам воды насосных агрегатов. При определении оптимального угла наклона лопастей гидротурбины при различных потоках воды широко использовались программы Solidworks. Доказана возможность повышения КПД до 85% за счет установки лопастей гидротурбины под оптимальным углом наклона 55º. Разработан экпериментальный образец гидроэнергетической установки для низконапорных водотоков мощностью 3 кВт, в результате практических испытаний микрогидроэлектростанции с вертикальной осью вращения при расходе потока воды 0,25 м ³ /с и напоре 1 м достигнута выработка 19500 кВт^ч электроэнергии. Благодаря этим гидроэлектростанциям мы имеем возможность повысить энергоэффективность фермерских хозяйств и насосных станций, расположенных вдали от централизованного энергоснабжения.