Создание мобильной микроГЭС для горных районов Узбекистана

В настоящее время гидроэлектростанции (ГЭС) обеспечивают примерно одну пятую мирового производства электроэнергии. Большинство из них – крупные электростанции мощностью свыше 10–15 МВт. Однако возможности строительства крупных ГЭС в Европе практически исчерпаны, и в настоящее время внимание направлено на развитие малых ГЭС, мощность которых не превышает 10 МВт. Они генерируют электричество, преобразуя энергию малых рек, каналов, промышленных водотоков [1, 2]. Сегодня эта технология получения электричества является технически выверенной и экономически выгодной [3–5]. Благодаря постоянному совершенствованию конструкции и контролирующего оборудования улучшаются эксплуатационные характеристики малых ГЭС и облегчается их продвижение на рынок экологически чистых технологий.

Технический гидроэнергетический потенциал Республики Узбекистан оценивается в 27,4 млрд кВт·ч в год, из которого в настоящее время используется 6,28 млрд кВт·ч, или около 23 %.

Установленная мощность гидроэлектростанции (ГЭС) работающих в системе АК «Узбекэнер-го» составляет 1419,7 МВт. В республике имеются также гидростанции, принадлежащие Министерству сельского и водного хозяйства, их мощность составляет 433,6 МВт; в процессе строительства находятся ещё 6 станций. Самая крупная из них – ГЭС при Туполангском водохранилище мощностью 175 МВт и выработкой 514 млн кВт·ч, первая очередь которой мощностью 30 МВт введена в эксплуатацию в 2006 г.

Минсельводхозом Республики Узбекистан разработана и реализуется «Программа развития гидроэнергетики», предусматривающая строи- тельство 15 новых малых ГЭС общей мощностью 420 МВт для производства 1,6 млрд кВт·ч/год [6].

Современные малые ГЭС становятся рентабельными при упрощении схемы их управления (например, за счёт балластной нагрузки) и работе без обслуживающего персонала. Их эффективность повышается в результате многоцелевого использования её сооружений, а также выдачи мощности в сеть. При работе станции на изолированную нагрузку возникает необходимость регулирования частоты и напряжения. Если водохранилище имеет достаточную ёмкость, обеспечивается суточное и недельное регулирование; в противном случае рекомендуется регулирование с помощью балластной нагрузки.

Гидроагрегат малых ГЭС состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления. По характеру используемых гидроресурсов микроГЭС делятся на следующие категории [7]:

• •    русловые или присоединённые с небольшими водохранилищами;

• •    использующие скоростную энергию свободного течения рек;

• •    использующие существующие перепады уровней воды на различных объектах водного хозяйства – от судоходных сооружений до водоочистных.

Использование энергии небольших водотоков на микроГЭС – одно из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в Республике Узбекистан.

Малые ГЭС имеют следующие особенности:

• •    энергия вырабатывается практически бесплатно;

• •    вводится в эксплуатацию в короткие сроки;

• •    работа, как и других ВИЭ, не зависит от цен на нефть, уголь и другое топливо;

Кодиров Д.Б., Юсупов Д.Т.

• •    оказывает минимальное негативное воздействие на окружающую среду и не вызывает социальных проблем, связанных с большой энергетикой;

• •    гораздо меньшие площади затопления и подтоплений. Плотины в значительно меньшей степени, чем другие виды энергообъектов, нарушают нормальную естественную среду обитания человека и животного мира, особенно если они располагаются на горных реках с устойчивыми к размыву и подтоплению валунно-галечниковыми руслами и каменистыми склонами долин;

• •    не требуется продолжительного строительства дорогостоящих линий электропередачи;

• •    стоимость выработанной электроэнергии получается выше, чем на больших ГЭС.

Однако, как правило, микроГЭС используются в тех местах, где отсутствует централизованное электроснабжение, а доступность в получении электроэнергии – одно из основных условий раз-

Создание мобильной микроГЭС для горных районов Узбекистана вития региона и повышения качества жизни. При использовании электроэнергии микроГЭС на нужды освещения в целях экономии следует применять энергосберегающие лампы.

Выбор места для микроГЭС начинается с измерения расхода воды и определения возможного напора. Наибольший расход воды в горных реках и ручьях Узбекистана наблюдается в июне – августе, наименьший – январе – марте. Максимальный расход обычно в 10 раз больше минимального, поэтому необходимо учитывать расход воды и в другие периоды года.

Учитывая вышеперечисленные факторы, авторами выбрано место для установки микроГЭС в одном из горных районов Республики Узбекистан (рис. 1).

На основе компьютерной графики подготовлена модель создаваемого водяного колеса микроГЭС (рис. 2).

Рис. 1. Выбранное место для установки микроГЭС

Рис. 2. Модель создаваемого водяного колеса: R – внешный радиус; r – внутренный радиус; l – длина колеса; α – угол; 1 – вал; 2 – колесо; 3 – лопасть; 4 – генератор; 5 – течение воды; 6 – ременная передача;

7 – лопасти с изменением угла

Альтернативные источники энергии

Рис. 3. Опытный образец мобильной микроГЭС

Рис. 4. Предварительные экспериментальные исследования на основе микроГЭС

Разработан предварительный опытный образец мобильной микроГЭС (рис. 3) [8].

Мобильная микроГЭС установлена в одном из горных районов Республики Узбекистан для проведения предварительных экспериментальных исследований (рис. 4).

Проведен экспериментальный расчет для определения зависимости между оборотами колеса микроГЭС и скоростью течения воды [9]. Полученные экспериментальные данные рассчитаны по формуле (1) и записаны в таблицу.

Определение количества оборотов водяного колеса микроГЭС:

30v n = , об/мин, пR

где v - скорость течения, м/с; п - отношение длины окружности к ее диаметру, равное 3,14; R – половина размера лопастей ротора, м.

Проведенные авторами предварительные расчеты показывают, что мощность микроГЭС зависит от индивидуальных факторов местности. С повышением скорости течения воды повышается также скорость движения водяного колеса (рис. 5), и, в свою очередь, увеличивается электрическая мощность микроГЭС.

Зависимость оборота колеса микроГЭС от скорости течения воды

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
v , м/c	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1	2,2	2,3	2,4
R , м	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25	0,25
n , об/мин	38	42	46	50	54	57	61	65	69	73	76	80	84	88	92

v(m/c)

Рис. 5. Зависимость оборота колеса микроГЭС от скорости течения воды

По проведенным исследованиям видно, что если мобильная микроГЭС бесперерывно будет работать, то может вырабатывать 5–8 кВт·ч электроэнергии за час, около 120–192 кВт·ч электроэнергии за сутки и 43,8–70 МВт·ч электроэнергии за год.

По данной установке авторами подана заявка № 201601562 в Агенство по Интеллектальной собственности Республики Узбекистан для получения патента на полезную модель.