Разработка микрогидроэлектростанций для малых рек горнозаводской зоны Челябинской области

Egor E. Kozhevnikov, , Ural State University, Chelyabinsk, Russia

Обеспечение хранения и передачи энергии является одним из ключевых вопросов в области энергетики. Так, из-за многократного преобразования одного вида энергии в другой мы теряем до половины всей вырабатываемой электроэнергии [1].

В то же время в Челябинской области имеется огромный запас возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Ресурс ВИЭ, по оценкам экспертов, в нашей области превышает ресурс невозобновляемых источников энергии в виде органического топлива примерно в три раза. В области созданы все условия для выработки электроэнергии за счет возобновляемых источников. Так, количество солнечных дней в Челябинской области составляет более 110, кроме того, присутствует множество горных рек в горнозаводской зоне и подходящие для установки ГЭС территории. Такое обилие энергоресурсов необходимо внедрять в практику производства электроэнергии нашего региона [2].

Использование ВИЭ (ветряных, солнечных, биоэнергетических морских приливов и волн) дает массу преимуществ. Как одно из них можно представить отсутствие необходимости покупки дорогого топлива. Другим преимуществом можно выделить возможность решения проблемы электроснабжения отдаленных районов. Для территорий, где строительство электросетей экономически нецелесообразно, например, для малонаселенных мест, актуальность этого решения особенно велика [3].

Так, в горнозаводской зоне Челябинской области имеются небольшие реки, на которых возможно установить микрогидроэлектростанцию для выработки электроэнергии.

Сейчас в области проектирования ГЭС все движется к схемам упрощения управления и работы без обслуживающего персонала. Благодаря этому рентабельность современных микроГЭС многократно возросла. Возможность повышения эффективности работы микроГЭС и как следствие объема подачи электроэнергии в сеть стало возможным благодаря многоцелевому использованию ее конструкции. Однако это повлекло за собой необходимость в регулировке на изолированной нагрузке частоты и напряжения. В условиях достаточной емкости резервуара предусматривается только суточное и недельное регулирование, в остальных случаях рекомендуется регулирование посредством балластной загрузки [4].

Основными составляющими гидроагрегата микроГЭС являются турбина, генератор и система автоматического управления. Исходя из используемых водных ресурсов, микроГЭС по своим характеристикам делятся [5]:

• 1)    на русловые;

• 2)    безнапорные;

• 3)    примыкающие;

• 4)    гидроаккумулирующие;

• 5)    приливно-отливные;

• 6)    смешанные.

Одним из возможных эффективных направлений развития использования возобновляемых источников энергии в Челябинской области является использование энергии малых водотоков [6].

МикроГЭС обладают следующими особенностями [7].

• 1.    Выработка энергии производится практически бесплатно.

• 2.    Ввод в эксплуатацию происходит в короткие сроки.

• 3.    Отсутствует зависимость от цен на нефть, уголь и другие топлива.

• 4.    Практически не оказывают негативного воздействия на окружающую среду.

• 5.    Образовываются намного меньшие площади затопления относительно других гидрообъектов.

• 6.    В меньшей степени нарушается нормальная естественная среда обитания фауны относительно других энергообъектов.

• 7.    Нет необходимости в длительном строительстве ЛЭП.

• 8.    Относительно более крупных гидроэлектростанций стоимость выработанной электроэнергии оказывается выше.

В местах отсутствия централизованной поставки электроэнергии установка таких микроГЭС может стать одним из решений проблемы электроснабжения.

• 1. Основные положения исследования

В данной работе целью ставилось произведение расчета разработанной модели гидроагрегата микроГЭС для горнозаводской зоны Челябинской области. Первоначально, используя компьютерную графику, автор выполнил модель водяного колеса микроГЭС, представленную на рис. 1. Впоследствии, опираясь на разработанную компьютерную модель, сконструировали предварительный опытный образец.

На рис. 2 представлена полученная в конечном итоге экспериментальная модель водяного колеса микроГЭС. Автором были проведены исследования с использованием данной модели. На рис. 3 показана экспериментальная установка для исследования модели водяного колеса микроГЭС. Для предварительного расчета были использованы результаты, полученные из экспериментального исследования.

В табл. 1 и на рис. 4 представлены результаты измерений среднемесячного расхода реки Катав, протекающей рядом с селом Верх-Катавка в Катав-Ивановском районе Челябинской области.

Количество вырабатываемой электроэнергии может быть вычислено с помощью следующей формулы

N_t=g- n •QfH t ,                      (1)

где N_t - удельная мощность реки, кВт;

Q t - расход воды, м³/с;

• Н [ - падение исследуемого участка реки, м;

• д - ускорение свободного падения, м²/с;

η – коэффициент полезного действия, 0,5.

Рис. 1. Компьютерная модель создаваемого водяного колеса микроГЭС:

1 – вал; 2 – колесо; 3 – лопасть; 4 – генератор; 5 – течение воды; 6 – ременная передача; 7 - лопасти с изменением угла; R - внешний радиус колеса; г - внутренний радиус колеса;

I - длина колеса; а - угол наклона лопастей

Fig. 1. Computer model of the created water wheel of the micro hydroelectric power station: 1 – shaft; 2 – wheel; 3 – blade; 4 – generator; 5 – water flow; 6 – belt drive; 7 – blades with angle change; R is the outer radius of the wheel; г is the inner radius of the wheel; I - wheel length;

а - angle of inclination of the blades

Рис. 2. Разработанное водяное колесо микроГЭС

Fig. 2. The designed water wheel of micro-hydro power plant

Рис. 3. Экспериментальная установка для исследования модели водяного колеса микроГЭС

Fig. 3. Experimental setup for the study of the water wheel model of a micro-hydroelectric power station

Таблица 1

Среднемесячный расход реки Катав

Table 1

Average monthly discharge of the Katav River

Месяц	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Расход воды, м3/с	3,26	3,41	3,32	3,34	3,31	3,28	3,44	3,5	3,48	3,29	3,23	3,25

Рис. 4. Среднемесячный расход реки Катав рядом с селом Верх-Катавка

Fig. 4. Average monthly discharge of the Katav River near the village of Verkh-Katavka

2. Полученные результаты

Полученные результаты для исследуемой модели гидроагрегата при различных расходах воды в реке приведены в табл. 2 и на рис. 5.

Исходя из табл. 3, можно сделать вывод о том, что увеличение скорости водяного колеса напрямую связано с увеличением скорости потока воды (рис. 6), как следствие, увеличивает электри-

Таблица 2

g 39

Удельная мощность реки Катав

Specific power of the Katav River

Table 2

Месяц	Расход воды Q i , м3/с	Падение исследуемого участка реки Ht, м	Ускорение свободного падения g , м2/с	Коэффициент полезного действия η	Удельная мощность реки N, кВт
Январь	3,26	2,5	9,8	0,5	39,9
Февраль	3,41	2,5	9,8	0,5	41,8
Март	3,32	2,5	9,8	0,5	40,7
Апрель	3,34	2,5	9,8	0,5	40,9
Май	3,31	2,5	9,8	0,5	40,6
Июнь	3,28	2,5	9,8	0,5	40,2
Июль	3,44	2,5	9,8	0,5	42,1
Август	3,5	2,5	9,8	0,5	42,9
Сентябрь	3,48	2,5	9,8	0,5	42,6
Октябрь	3,29	2,5	9,8	0,5	40,3
Ноябрь	3,23	2,5	9,8	0,5	39,6
Декабрь	3,24	2,5	9,8	0,5	39,7

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

Рис. 5. Удельная мощность реки Катав

Fig. 5. Specific power of the Katav River

Таблица 3

Рис. 6. Зависимость оборотов колеса микроГЭС от скорости потока

Fig. 6. Dependence of the wheel speed of the micro-hydro power plant on the flow rate

ческую мощность микроГЭС. Поэтому мощность микроГЭС зависит от индивидуальных факторов

Срок окупаемости затрат на оборудование микроГЭС был вычислен по формуле

местности, таких как расход, скорость и падение

воды на исследуемом участке реки. Для определе-

к — —-—, W_n-24-365-T’

ния числа оборотов п водяного колеса использует-

ся следующая формула

_ 30

π

ϑ

й

где ϑ – скорость течения, м/с;

R - радиус колеса, м;

π – отношение периметра колеса к его диаметру, 3,14;

Рис. 6 показывает, что скорость потока воды прямо пропорциональна мощности микроГЭС. Во время проведения эксперимента также было замечено, что при увеличении скорости потока увеличивается и расход.

Разработанная микрогидроэлектростанция оборудована на водотоке в условиях низкого давления (рис. 7), где установлен накопитель электроэнергии для регулирования потока энергии (рис. 8). Для испытания микроГЭС было введено в работу водяное колесо, соединенное с генератором с помощью ременной передачи. Результаты испытаний микрогидроэлектростанции приведены в табл. 4.

Если мобильная микроГЭС будет работать непрерывно, то согласно нашему исследованию можно сделать вывод, что она сможет вырабатывать порядка 9–13 кВт·ч, около 170–266 кВт·ч/день и от 63 до 99 МВт·ч/год.

где К - срок окупаемости затрат на оборудование, год;

С - общая стоимость оборудования, руб.;

Т - цена (тариф) на электрическую энергию за 1 кВт, руб.;

N_n - номинальная активная мощность оборудования, кВт.

Ранее нами уже была подсчитана общая стоимость оборудования (С), которая составила 260 тыс. руб. Для того чтобы определить цену (тариф) на электрическую энергию за 1 кВт, мы воспользовались статистикой цен за июль 2021 г. Она составила 2,43 руб. за 1 кВт·ч [8]. Номинальную активную мощность оборудования N „ мы вычислили, воспользовавшись табл. 2. В итоге мы получили, что N „ = 40,2 кВт.

Подставляя все в формулу (3), получим

„      260 000

К —------------~ 0,3.

40,2^24^365^2,43

В итоге разработанное оборудование окупится менее чем за полгода. Скорость водяного колеса

увеличивается по мере увеличения скорости потока воды (см. рис. 5), и это приводит к повышению электрической мощности микроГЭС. Исходя из этого, мы получаем прямую зависимость мощности микроГЭС от индивидуальных факторов местности, таких как расход, скорость и падение воды на исследуемом участке реки.

Зависимость оборотов колеса микроГЭС от скорости потока

The dependence of the wheel speed of a micro-hydro power plant on the flow rate

Table 3

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Скорость потока, м/с	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1
Частота вращения, об/мин	19,2	22	23,1	24,9	26,7	28,6	30,8	32,6	34,5	36,4	38,3	40,2

Рис. 7. Внешний вид установленного водяного колеса Fig. 7. Appearance of the installed water wheel

Рис. 8. Внешний вид накопителя электроэнергии Fig. 8. Appearance of the energy storage

Таблица 4

Вывод

Исследования показали возможность и целесообразность использования малых ГЭС. Технологические инновации и меры по снижению воздействия на окружающую среду делают малые гидроэлектростанции недорогим и оправданным источ-

ником возобновляемой энергии, который обеспечивает возможность выработки на независимой основе и помогает не только защитить окружающую среду, но и ослабить зависимость человека от ископаемого топлива.

Результаты испытаний микрогидроэлектростанции

Micro hydro power plant test results

Table 4

Номер испытания	Сила тока, А	Напряжение, В	Выработанная электроэнергия, кВт·ч
1	40,39	200	8,8
2	41,8	234	9,8
3	46,4	224	10,4
4	44,5	207	9,2
5	45,3	210	9,6
6	40,2	214	8,6