CC BY
168
КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ МИКРОГЭС ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
© Жамалов А.Ж., Обозов А.Д., Кунелбаев М.М.*
Казахский государственный женский педагогический университет, Республика Казахстан, г. Алматы Кыргызский государственный технический унивеситет им. Раззакова, Кыргызская Республика, г. Бишкек
В настоящей работе, исследована микрогидроэлектростанция для автономных потребителей. На основе анализа особенностей работы низконапорных микроГЭС синтезирована принципиальная схема, построены расчетные модели и осуществлен выбор рациональных параметров элементов конструкции микроГЭС. Для обоснования рациональной мощности микроГЭС и построения ее конструкции были изучены особенности энергоснабжения горных потребителей; свойства малых горных водотоков; особенности нагрузок, характерные для автономного потребителя; проведен анализ и обобщен опыт разработки и создания подобных микроГЭС. Проведенные исследования позволили определить основной параметр турбины. Произведен гидродинамический расчет направляющего аппарата. При проведении научно-исследовательских работ по выбору конструктивной модели микроГЭС были определены основные параметры конструкции нового типа генератора.
Ключевые слова: микрогидроэлектростанция, новый тип генератора, мощность микроГЭС, турбина, гидродинамика.
В 2008, это было оценено Международным энергетическим агентством (1ЕА), что 1.5 миллиарда человек, или 22 % глобального населения, не имеет доступа к электричеству (Международное энергетическое агентство, 2009); 85 % этой группы населения расположены в сельских районах. В Африке в Районе Сахары, только 29 % из населения наэлектризовано, и этот процент уменьшается как опереженный прирост населения электрификация с 2001. В Южной Азии больше чем 570 миллионов человек без доступа к электричеству, с 92 % из них в сельских районах. Латинская Америка и Ближний Восток имеют подобный средний уровень электрификации 93 % и 89 % соответственно, с почти всем городским населением наличие доступа к электричеству, в то время как только 70 % и 71 % соответствующего сельского населения имеют доступ. Восточная Азия и Китай сделали некоторые отмеченные усовершенствования, понижающиеся от 241 миллиона к 195 миллионам без доступа электричества (Международное энергетическое агентство, 2009). Однако, некоторые страны в этой области продолжают иметь
* Старший преподаватель кафедры Физики Казахского государственного женского педагогического университета, магистр физики.
низкие показатели электрификации, включая Myanmmar (13 %), Восточный Тимор (22 %), и Камбоджа (24 %) [1].
Турбины могут быть классифицированы.
Турбины импульса - высокоскоростная струи воды передаёт кинетическую энергию, воздействуя на турбинные лезвия или чашки, вызывающие вращение. Происходит понижение давления стока воды в носике, и бегунок действует в атмосферном давление [2]. Примеры турбин импульса включают колесо Pelton, Turgo колесо, и поперечный поток (Banki-Michell) турбины.
Турбины реакции - турбины реакции работают под давлением во внутреннем режиме потока. Вода передает в статор, который принимает форму спиральных лопастей гида, чтобы ввести водоворот в поток. Поток переадресован лезвиями бегуна.
В отличие от турбин импульса, гидравлическое давление понижается в статоре и бегунке [2]. Примеры турбин реакции включают пропеллер Kaplan, и турбины Фрэнсиса.
Турбины реакции могут выступить хорошо даже в низком главном диапазоне (меньше чем 10 m) делая их более желательными, так как низкие главные водные источники более доступны и ближе к местоположениям использования конца [3].
Отсасывающая труба - важная составляющая турбины, соединяя турбинный выход с резервуара, который получает выхлопную воду. Вода в отсасывающей трубе замедляется, вытекает, чтобы возвратить часть кинетической энергии, и создает вакуум ниже бегунка, заканчивающегося в увеличенном давлении понижаются через бегуна [4, 5].
Важно также рассмотреть сезонные изменения расположенных по течению водных уровней, проектируя проект трубы, потому что выход отсасывающей трубы должен остаться затопленным. Поэтому отсасывающая труба должна простираться ниже минимального уровня поверхности воды, в то время как генератор должен быть помещен выше, чем максимальный уровень наводнения поверхности воды хвоста [2].
Электрическая система производство состоит из генератора, электрического диспетчера, система распределения, и электрической нагрузки. Вращающий момент и вращение бегунка вращают генератор, непосредственно или с механической передачей, и механической энергии преобразования в электроэнергию. Для микро ГЭС популярные устройства производства -генераторы переменного тока транспортного средства, асинхронные двигатели, и генераторы постоянного магнита [6-10].
Главные компоненты системы микроГЭС состоит из входного бассейна, статора, бегуна, и отсасывающей трубу [11-13].
Лоток-спиральная камера была смоделирована после [11] в Институте Возобновляемого источника энергии [14]. Это - открытая спираль канала, которая производит водоворот в поток до входа в статор. По совпадению,
подход принятия Дизайн Powerpal, в более широком масштабе, был также взят Сингхом и Нестманом [15].
Бурный экономический рост последних лет привел к тому, что действующих энергетических мощностей в Казахстане явно недостаточно. По данным Министерства энергетики и минеральных ресурсов, в 2008 г. дефицит электроэнергии на юге и западе республики составлял соответственно 800 и 300 МВт, а к 2015 г. может возрасти до 2700 и 1300 МВт. Как следствие, дальнейшее увеличение добычи энергоресурсов, доходов бюджета и рост благосостояния населения могут оказаться под вопросом. Кроме того, активное развитие топливно-энергетического комплекса требует нахождения новых источников энергии, таких как возобновляемые источники энергии (ВИЭ). В этой связи их естественная возобновляемость, повсеместность и огромный энергетический потенциал делают их весьма привлекательными и перспективными.
К числу перспективных видов ВИЭ относят и энергию малых водотоков. В настоящее время в практике находят широкое применение различные конструкции микро ГЭС для децентрализованных потребителей. Однако, все они наряду со своими достоинствами имеют недостатки, и основные из них это - громоздкость, дороговизна, необходимость наличия больших расходов или высоких напоров.
Как показывает анализ автономных потребителей, в условиях нашей Республики значительная их часть расположена в районах, где сложно обеспечить соответствующие напоры или же, как правило, не хватает расхода воды, а наличие крупных габаритов имеющихся конструкций микро ГЭС, большой вес и высокая стоимость делают их непривлекательными для потребителя. В этой связи поиск и разработка малоэнергоемкой высокоэффективной микро ГЭС с небольшим напором и расходом воды и приемлемой низкой ценой является весьма актуальной и важной задачей.
На основе анализа особенностей работы низконапорных микроГЭС синтезирована принципиальная схема, построены расчетные модели и осуществлен выбор рациональных параметров элементов конструкции микро-ГЭС.
Для обоснования рациональной мощности микроГЭС и построения ее конструкции были изучены особенности энергоснабжения горных потребителей; свойства малых горных водотоков; особенности нагрузок, характерные для автономного потребителя; проведен анализ и обобщен опыт разработки и создания подобных микроГЭС.
Проведенные исследования позволили определить основной параметр турбины - диаметр рабочего колеса Д м (рис. 1), на основе которого найдено оптимальное соотношение параметров элементов конструкции турбинного тракта, при заданных параметрах турбины. Расчетными данными явились кинетическая энергия водного потока Икин = V2 / (2g) и ёет - диаметр втулки рабочего колеса.
Для установления закономерности значения втулочного отношения от напора (рис. 2) для значения 1,5 м построен график, основанный на данных, полученных при помощи гидродинамических расчетов лопастных систем, экономических расчетов и экспериментальных исследований, по значениям dN крупногабаритных турбин, работающих на напорах от 10 до 60 м. Закономерность изменения зависимости dem = AH была доказана и определена поправка на масштабный коэффициент.
Рис. 1. Схема расположения осевой пропеллерной турбины
Рис. 2. График зависимости втулочного отношения от напора
Для определения масштабного коэффициента были использованы параметры и практические данные по исследованиям крупногабаритных турбин с напорами 10, 20, 30, 40, 50 и 60 м. Всего было рассмотрено более 400 турбин. Кг (при Н = 1,5 м) = 4024072,13; ¥т (при Н = 1,5 м) = 0,7755; Ей (при Н = 1,5 м) = 3,9289; Бк (при Н = 1,5 м) = 0,0182. При определении масштабного эффекта X применена методика пересчета к.п.д. с модели на турбину. С учетом найденного масштабного коэффициента было получено рациональное значение втулочного отношения:
d = 0,29438 = 0,28834509695808.
вт ' ср '
Расчет и выбор параметров спиральной камеры производился с применением закона постоянства момента скоростей v^R = const (рис. 3). Определены площади F, радиусы (R - гна), расходы Q, а так же скорости vc для сечений спиральной камеры.
Произведен гидродинамический расчет направляющего аппарата (рис. 4). Получены расчеты скелета профиля в первом и втором приближениях, а так же профиль конечной толщины, определено направление оптимального расположения входных кромок направляющего аппарата в соответствии со скоростными параметрами на выходе из спиральной камеры [16].
Vri
V»
Рис. 3. Составляющие стока и циркуляции в осесимметричном течении
Рис. 4. Построение профиля лопаток направляющего аппарата
При выборе параметров отсасывающей трубы определено оптимальное значение диаметра горловины Б2 = 0,97 Д = 0,97-0,1372 = 0,133084 м. Найдено отношение длины отсасывающей трубы к ее входному диаметру Ь / Д, а так же оптимальный угол конусности отсасывающей трубы микроГЭС, равный 4,37°.
При проведении научно-исследовательских работ по выбору конструктивной модели микроГЭС были определены основные параметры конструкции нового типа генератора (рис. 5). Среди них: число пар полюсов, число пазов статора, наружный диаметр корпуса, внутренний диаметр сердечника статора, витки обмотки статора, масса генератора.
Рис. 5. Принципиальная схема БМГЭС
На рис. 6 приведена схема микроГЭС в которой также используется принцип бироторного генератора [17]. Первоначально единый водяной поток по трубопроводу поступает к подводящему лотку 1 и затем поступает в спиральную камеру 2. Обтекая лопатки направляющего аппарата по всему периметру, под определенным углом направляется на лопасти первого рабочего колеса турбины 5 и вращает его в одну сторону. После рабочего колеса турбины 5 далее гидравлический поток под определенным углом направляется на лопасти второго рабочего колеса турбины 6 которая вращается противоположную сторону за счет обратного расположения профиля лопасти рабочего колеса турбины 6. Причем турбины 5 и 6 расположены последовательно друг за другом в одной отсасывающей трубе. Турбина 5и турбина 6 соединены с ротором и соответственно с статором генератора через вал, где вал одной турбины располагается внутри вала другой турбины. Таким образом в турбине происходит преобразование гидравлической энергии водяного потока в энергию вращения валов генераторов (ротора I) 4 и 3(ротора II (статора)). При этом вращение ротора и статора осуществляется относительно друг друга в противоположные стороны, что обеспечивает увеличение частоты пересечения магнитным полем электрической обмотки генератора. После прохождения турбин отработанный водяной поток уходит через отсасывающую трубу 7. В отличие от рис 1.9, в данной конструкции БМГЭС используется один единый гидравлический поток, а также установлена отсасывающая труба которая предназначено для более полного использования турбиной энергии водного потока на выходе из нее т.е. отсасывающая труба позволяет
полностью использовать энергию, соответствующую высоте, а так же обеспечивает использование значительной части кинетической энергии выходящей из турбины воды.
Рис. 6
Важнейшей характеристикой генератора является частота вращения ротора генератора, которое позволяет получить необходимые стандартные значения оборотов [18]. Например, как видно по формуле 1, в случае, если частота вращения ротора традиционного генератора составляет 1500 об/мин, тогда необходимо использовать две пары полюсов для получения значения частоты электроэнергии равной 50 Гц.
Г 50 р = 60= 60
п 1500
= 2
(1)
В нашем случае, если использовать бироторный генератор, то, как видно по формуле 2, необходима только одна пара полюсов, так как при одновременном значении частоты вращении ротора генератора равном 1500 об/мин можно получать частоту вращения статора в противоположном направлении с тем же значением в 1500 об/мин. При этом вращение ротора и статора генератора, как уже выше указывалось, осуществляется относительно друг друга в противоположные стороны. Все это обеспечивает увеличение частоты пересечения магнитным полем электрической обмотки генератора. Такой принцип работы даст удвоение частоты вращение бироторного генератора, которое будет составлять в сумме 3000 об/мин.
Г 50 р = 60= 60
п 3000
= 1
(2)
Таким образом, проведенные исследования и расчеты показывают, что меньшее количество использования числа пар полюсов прямо влияет на
уменьшение масса габаритных размеров генератора и, как следствие, это может привести к снижению стоимости, что имеет существенное значение при создании и производстве микроГЭС с бироторным гидрогенераторам. Анализ и исследование особенностей электромагнитного расчета биротор-ного генератора, включающего в себя выбор главных размеров статора и ротора бироторного генератора показывают, что число витков обмотки (формула 3), внутренний диаметр сердечника статора бироторного генератора (формула 4) практически в два раза меньше, чем у традиционного генератора (формулы 5 и 6). Это также приводит к уменьшению геометрических и масса-габаритных размеров генератора.
Npl§-p-ql
wl :=- = 180 (3)
al
D1 := 6 + 0.69DH1 = 90.18 мм (4)
wi := Np1§ - p - q1 = 594 (5)
a1
D1 := 6 + 0.69DH1 = 126.75 мм (6)
Дальнейшие задачи научно-практических работ:
1. Проведение экспериментальных исследований микроГЭС, включая создание базы для проведения экспериментальных исследований, разработку гидравлического стенда, расчет параметров основных элементов и их создание, а так же разработку методов ведения экспериментов;
2. Проведение сравнительных технико-экономических исследований расчета стоимости выработки электроэнергии в сравнении с другими типами устройств автономного электроснабжения;
3. Апробированы и внедрение результатов проведенных исследований;
4. Создание и выполнение типовых проектов по сооружению микро-ГЭС.
Список литературы:
1. International Energy Agency. (2009). World energy outlook 2009. Paris, France: Organisation for Economic Co-operation and Development.
2. Fraenkel, P., Paish, O., Bokalders, V, Harvey, A., Brown, A., & Edwards, R. (1991). In Fraenkel P., Stockholm Environment Institute. (Eds.), Micro-hydro power: A guide for developmentworkers. London: Immediate Technology Publications in assocation with the Stockholm Environment Institute.
3. Paish, O. (2002). Micro- hydropower: Status and prospects. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS PART A JOURNAL OF PO, 216, 31-40.
4. French River Land Company (2012). GREEN AND CLEAN POWER-french river land company's website! Retrieved December 9, 2011. www.french-riverland.com.
5. Paish, O. (2002). Micro- hydropower: Status and prospects. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS PART A JOURNAL OF PO, 216, 31-40.
6. Howey, D.A. (2009). AXIAL FLUX PERMANENT MAGNET GENERATORS FOR PICO-HYDROPOWER. EWB-UK Research Conference 2009, The Royal Academy of Engineering.
7. Portegijs, J. (2003). The firefly micro hydro system. Retrieved January 11, 2011. www.microhydropower.net/mhp_group/portegijs/fireily_bm/Sbm_index.html.
8. Smith, N. (1994). Motors as generators for micro-hydro power. London, UK: ITDG Publishing.
9. Williams, A.A., & Simpson, R. (2009). Pico hydro - reducing technical risks for rural electrification. Renewable Energy, 34(8), 1986-1991.
10. Williams, A.A., & Simpson, R.G (2006). Application of computational fluid dynamics to the design of pico propeller turbines. International Conference on Renewable Energy for Developing Countries - 2006.
11. Asian Phoenix Resources Ltd. (2008). Use and care instructions for your new powerpal low head micro-hydroelectric generator. Victoria, Canada: Asian Phoenix Resources Ltd.
12. DTU-Development Technology Unit. (2010). SIMPLE LOW-HEAD MICRO-HYDRO TURBINE. Coventry, UK: University of Warwick.
13. Singh, P., & Nestmann, F. (2009). Experimental optimization of a free vortex propeller runner formicro hydro application. Experimental Thermal and Fluid Science, 33(6), 991-1002.
14. Lao Institute for Renewable Energy (LIRE) (Producer), & Lao Institute for Renewable Energy(LIRE) (Director). (2010). Pico hydropower training guide -02 making the draft channel[Video/DVD]
15. Singh, P., & Nestmann, F. (2011). Experimental investigation of the influence of blade height and blade number on the performance of low head axial flow turbines. Renewable Energy, 36(1),272-281.
16. Жамалов А.Ж., Обозов А.Дж, Кунелбаев М.М. Исследования влияния гидродинамических параметров на выходную мощность микроГЭС // Журнал «Наука и Мир». - № 1 (1). - С. 83-89.
17. Положительное заключение экспертизы о выдаче патента на изобретения Республики Казахстан № 2013/0917.1.
18. Zhamalov A.Zh, Obozov A. Dzh, Kunelbayev M.M, Chakenova B.A. The choice of generator for micro hydro electro station. American-Eurasian Journal of Agricultural & Environmental Sciences, 2013,32 (5), 54-65.
