CC BY
18Экономическая целесообразность изысканий рациональных конструкций микро-ГЭС
О)
о
см
см
О!
о ш т
X
<
т О X X
Краснов Виктор Гаврилович
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры нефтегазового дела, Филиал ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» в городе Нижневартовске, kiril5krasnov@mail.ru
Касаткина Елена Викторовна
кандидат экономических наук, доцент, Филиал ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» в Нижневартовске, kasatkina61@mail.ru
Калинина Марина Вадимовна
стажер-исследователь, Международная лаборатория прикладного сетевого анализа, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», mvkalinina@hse.ru
В поиске альтернативных источников энергии при возрастающих требованиях по сохранению малых рек. так называемые свободнопоточные микро ГЭС, является перспективным направлением.
Достижение экономического роста и социального прогресса невозможно без развития энергетической отрасли и поиска оптимальных источников энергии. Экономический прогресс и возрастающие потребности в разнообразных источниках энергии, сокращение запасов ископаемого топлива и загрязнение окружающей среды, возникающее при их добыче, привели к серьезным проблемам, связанным с энергетической безопасностью, охраной окружающей среды и поиском альтернативных источников энергии.
Источники энергии, которые могут быть охарактеризованы как возобновляемые и экологически безвредные, являются одним из направлений удовлетворения возрастающего спроса на энергию, улучшения энергетической инфраструктуры, сокращения загрязнения окружающей среды. Данная статья посвящена рассмотрению наиболее известных решений конструкции гидроустановок, использующих кинетическую энергию малых рек.
Характеристика работы продольно поточной гидросиловой установки в значительной степени определяется взаимодействием рабочих органов с гидравлическим потоком. В работе рассматриваются особенности этого взаимодействия для рабочих органов переменной массы. Выделены и показаны особенности этого взаимодействия. Ключевые слова: экономический прогресс, энергия, скорость, поток, количественная характеристика, функция, рабочий орган.
В настоящее время наиболее разработанным, надежным и экономически эффективным проявлением технологий возобновляемой энергетики является гидроэнергетика, которая представлена напорными, вариационными и свобод-нопоточными гидроустановками. Именно гидроэнергетика является крупнейшим возобновляемым источником энергии, производит около 16% электроэнергии и составляет четыре-пятых мировых запасов электроэнергии.
В таблице 1 представлены потенциальные гидроэнергетические запасы стран с развитой гидроэнергетикой.
Таблица 1
Потенциальные гидроэнергетические запасы стран с
Соотношение
Валовые ресурсы Технически Экономически технически
Страна пригодные пригодные пригодных к
ресурсы ресурсы экономически пригодным
Китай 6 083 2474 1753 0.71
Россия 2 295 1670 852 0.51
Бразилия 3040 1250 818 0.65
Канада 2067 827 536 0.65
Индия 2638 660 442 0.67
США 2040 1339 376 0.28
Таджикистан 527 264 264 1.00
Перу 1577 395 260 0.66
Норвегия 600 240 206 0.86
Конго 1397 774 145 0.19
Венесуэла 731 261 100 0.38
Индонезия 2147 402 40 0.10
Мексика 430 135 33 0.24
Усредненные затраты на проект в гидроэнергетике, как правило, находятся в диапазоне от 1000 долларов США за кВт - 3500 долларов США за кВт [1, с. 19]. По данным МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) к 2030 году выработка электроэнергии по средству гидроэнергетики увеличится на 35% и на 59% к 2050 году [2]. В Российской Федерации наблюдается замедление развития данной отрасли в связи с экономическими проблемами, а также из-за степени освоения гидропотенциала. Так в разных регионах России - в Европейской части страны она достигает 40%, в Сибири - 23%, на Дальнем Востоке - не
превышает 6%. Развитие гидроэнергетики является самым перспективным направлением для увеличения выработки электроэнергии по средствам ВИЭ, что обусловлено наличием существенного количества гидроресурсов на территории России. В соотношении с использованием солнечной и ветровой энергии, экономическая выгода при разработке гидроэнергетики составит, на данный момент, 246% по отношению к солнечной, и 24% по отношению к ветровой (при учёте цены 1700 долларов США на один кВт для гидроэнергетики), по данным IRENA на август 2015 года) [3].
Развитие возможностей практического использования этих источников идет в различных направлениях. Использование энергии воды, и, в частности, энергии малых рек, одно из успешно развивающихся направлений.
Возрастающие требования по сохранению малых рек предъявляют и особые требования к создаваемым гидроагрегатам силовых установок. Таким требованиям в наибольшей степени отвечают так называемые свободнопоточные микро ГЭС [4,5]. Одним из общих требований, предъявляемых к гидроустановкам, относится их эффективность, оцениваемая в частности по К.П.Д. В этом направлении особое место занимают работы по созданию и использованию микро ГЭС, например, устройств использующих энергию малых рек.
За исходную характеристику в гидромеханике при оценке К.П.Д. каких либо устройств, может
достаточно высок -80%.
В так называемых свободнопоточных микро ГЭС, в частности продольнопоточных, рабочие органы устройств размещаются в зоне свободной поверхности потока, как поточно погружных, когда они погружены ниже свободной поверхности - никакие работы по организации потока не предполагаются.
Как правило, площадь поверхности, воспринимающей поток, значительно меньше площади сечения русла реки, в створе которого она установлена. Для известных конструкций коэффициент использования потока = S/S составляет 20 - 50%. В оценку К.П.Д. этих устройств
вводится характеристика поверхности рабочего органа -коэффициент обтекания Сх и параметр кинетической энергии потока <3Е
Собственно гидравлический К.П.Д. от кинетической энергии потока - 0Е определится отношением полной мощности к полезной.
За полную мощность принимается мощность используемого потока
(1)
Полезную мощность выразим через работу сил сопротивления -
кот рая для большинства известных устройств определяется как сила сопротивления обтеканию Ра = 0,5 * с * р * — и)2 , тогда
=FS * и =
0,5 * с * р и (в — uj2 * S « и,
N полез ' а
(2)
Где и - скорость движения рабочего тела в потоке.
Из уравнений 1,2 получим:
Анализ уравнения (3) показывает, что максимальная величина гидравлического К.П.Д. опре-
и при и = о, приходим К БЫЕОДУЧТО 3? = 0 , Т.е. механизм неподвижен.
Приведенная взаимосвязь ограничивает возможности повышения к.п.д. в устройствах этого типа.
Возможность изменить условия, характеризующие силу сопротивления, нашла своё решение в рабочем органе переменной массы, причём это избыточные массы является приобретенной и способствует использованию силы от количества движения. рис.1.
X X
о го А с.
X
го m
о
Рис.1. Движение тела переменной массы.
ю 2
М О
О)
о
CS
CS Ol
Для тела с приобретенной массой суммарная сила определится суммой двух составляющих [6].:
«______л-... ..г,г
(5)
Первое слагаемое выражения 5) характеризует инерционную составляющую, тела переменной массы в процессе приращения массы. Эта Мже составляющая в конечном результате определит приращенную массу, составляющую количественную характеристику или количество движения рабочего органа М*и, где М-масса роликов рабочей цепи, а и-скорость. Исходя из уравнения изменения количественного движения:
М*и2-М*и!=РЧ,
при входе в поток М*и-|=0 и М*и2-0=РЧ, откуда Р=(М*и2)Л.
Второе слагаемое выражения 5) определяет силу сопротивления рабочего органа потоку, характеристика которой была рассмотрена выше.
Влияние приобретенной массы на движущую силу в зависимости от геометрических параметров, в частности, диаметра ролика с приобретенной массой отражена на рисунке 2.
5000
4000
зооо
2000
1000
Пр и 1=0,5 и V=2
О 0,2 0,4 F 0,6 ^ 0,8
1.2
При 1=0,5 и V=2
d Ри Fc
0,1 39,25 100
0,5 981,75 500
1 3926 1000
О ш m х
<
m о х
X
Рис.2. Диаграммы зависимости силы от геометрических параметров рабочего органа.
Приведенный рисунок 2 наглядно показывает результативность рабочего органа с приобретенной массой. приращения мощности в устройстве, при одних и тех же габаритных размерах за счет увеличения массы. Такое решение реализовано в устройстве [7], представленном на рисунке 3.
Рис.3 - Конструктивно-силовая схема продольно-поточной гидросиловой установки.
Продольно-поточная гидросиловая установка содержит раму 1, ведущий вал 2 с зубчатыми шестернями 3 и генератором 4. Зубья шестерен 3 связаны с цевками 5 несущих 6 и промежуточных 7 роликов, которые образуют бесконечную замкнутую цепь посредством соединительных звеньев 8. Противоположная сторона цепи обхватывает натяжной барабан 9. Несущие 6, промежуточные 7 ролики и натяжной барабан 9 выполнены полыми, причем ролики 6 и 7 имеют сквозные прорези.
Литература
1. "Renewable energy technologies: cost analysis series", IRENA, 2012
2. "Long-term global scenarios for hydropower", IPCC, 2011
3. "Synergies between renewable energy and energy efficiency", IRENA, 2015
4. Свободнопоточная гидросиловая установка А.с. 1636592. Опубл. 23.03.91, Бюл.№11. Краснов В.Г., Журавлев В.М, Куротченко В.И.
5. Свободнопоточная гидросиловая установка А.с. 1546694. Опубл. 29.09.88. Краснов В.Г., Куротченко В.И.
6. Краснов В.Г. Косьянов П.М., Дмитриев Н.П. К исследованию движения цилиндра переменной массы в потоке. Динамика свободно поточной микро ГЭС Journal of Engineering and Applied Sciences
7. Продольно-поточная гидросиловая установка . Патент 156588// 27.02.2015. Краснов В.Г., Лихачевский В.Н., Калашников С.П.
Economic Practicability Of Researches Of Rational
Structures Of Micro Hydro Power Stations Krasnov V.G., Kasatkina E.V., Kalinina M.V.
Branch of Tyumen Industrial University in Nizhnevartovsk,
National Research University Higher School of Economics In search of alternative energy sources with increasing requirements for the conservation of small rivers. the so-called free-flow micro HPP is a promising direction.
Economic growth and social progress cannot be achieved without the development of the energy sector and the search for optimal energy sources. Economic progress and the increasing demand for a variety of energy sources, the reduction of fossil fuel resources and the environmental pollution resulting from their extraction have led to serious problems related to energy security, environmental protection and the search for alternative energy sources.
Energy sources, which can be described as renewable and environmentally friendly, are one of the ways to meet the increasing demand for energy, improve energy infrastructure, reduce environmental pollution. This article is devoted to the consideration of the most well-known design solutions of hydroelectric installations using the kinetic energy of small rivers.
Characteristics of the longitudinal flow hydraulic power plant is largely determined by the interaction of the working bodies with the hydraulic flow. The paper discusses the features of this interaction for the working bodies of variable mass. The features of this interaction are highlighted and shown.
Key words: economic progress, energy, speed, flow, quantitative characteristic, function, working body.
References
1. "Renewable energy technologies: cost analysis series", IRENA, 2012
2. "Long-term global scenarios for hydropower", IPCC, 2011
3. "Synergies between renewable energy and energy efficiency",
IRENA, 2015
4. Free-flow hydro-power unit A.S. 1636592. Publ. March 23,
1991, Bul. No. 11. Krasnov V.G., Zhuravlev V.M., Kurotchenko V.I.
5. Free-flow hydro-power installation A.S. 1546694. Publ. 09/29/08. Krasnov V.G., Kurotchenko V.I.
6. Krasnov V.G. Kosyanov P.M., Dmitriev N.P. To study the movement of a cylinder of variable mass in the stream. Dynamics of Free-Flow Micro-HPP Journal of Engineering and Applied Sciences
7. Longitudinal hydropower installation. Patent 156588 // 02.27.2015. Krasnov V.G., Likhachevsky V.N., Kalashnikov S.P.
X X О го А С.
X
го m
о
ю 2
M О
to
