CC BY
7UDC 621.311.001.57
Orazbayev K. Generic mathematical model of a non-pressurized gravitational microhydroelectric power plant
Обобщенная математическая модель безнапорной гравитационной микроГЭС
Orazbayev Kazbek
Senior instructor, Department of Electric power industry and labour protection,
Zhezkazgan Baikonurov University Оразбаев Казбек Найманказиевич Старший преподаватель, кафедра Электроэнергетика и охрана труда Жезказганский университет имени О.А. Байконурова
Abstract. The use of microhydroelectric power plants is one of the most promising areas for the development of renewable energy sources, which today successfully competes with fossil fuels in the system of generating capacities [1, 2, 3]. In the article is constructed a mathematical model of the proposed gravity-type microelectric power plant. In the MATLAB area, by graphical assembly of the system model under study in the Simulink expansion package, a computer model of a water vortex microhydroelectric power plant has been developed, taking into account the main technical and technological characteristics. As a result of the simulation, the dependence of the turbine speed change on the water pressure and the external diameter of the turbine is obtained.
Keywords: gravitational water vortex microhydroelectric power plant, mathematical and computer modeling, MATLAB, Simulink, hydropower turbine buckets, headrace, water flow.
Аннотация. Применение микрогидроэлектростанций является одним из наиболее перспективных направлений развития возобновляемых источников энергии, которое на сегодняшний день успешно конкурирует с ископаемыми видами топлива в системе генерирующих мощностей [1, 2, 3]. В статье построена математическая модель предложенной микроГЭС гравитационного типа. В среде MATLAB, путем графической сборки модели исследуемой системы в пакете расширения Simulink, разработана компьютерная модель водоворотной микроГЭС с учетом основных технико-технологических характеристик. В результате моделирования получена зависимость изменения скорости турбины от напора воды и внешнего диаметра турбины.
Ключевые слова: гравитационная водоворотная микроГЭС, математическое и компьютерное моделирование, MATLAB, Simulink, лопасти гидротурбины, подводящий канал, расход воды.
Рецензент: Торопцев Василий Владимирович - кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева»
1. Введение.
Как и во всем мире, в Казахстане отдельное внимание уделяется обеспечению устойчивого развития общества, где важное значение имеют надежность электроснабжения растущих потребительских запросов [4, 5, 6, 7].
Применение микроГЭС является одним из ключевых направлений развития ВИЭ [8, 9, 10, 11]. Предлагаемая микрогидроэлектростанция водоворотного типа может
служить источником электроэнергии для фермерских хозяйств и других объектов, расположенных вдали от центральных энергосистем.
2. Методы и методики.
Для построения математической модели применен пакет 81ти!1пк в среде МАТЬАВ (рисунок 1). Система математического моделирования 81ти!1пк в данный момент является одним из самых мощных и наиболее популярных инструментов численных расчетов, предназначенных для анализа систем. Удобство заключается в том, что в 81ти!1пк применяются уже готовые графические модули в виде блоков, из которых и составляются структурные блок-схемы исследуемой системы. После выполняется имитация происходящих в системе переходных процессов и анализ полученных результатов. Но прежде чем имитировать поведение модели, требуется определить параметры моделирования. Все необходимые параметры для построения данной модели были получены в результате предыдущих научных исследований.
Рисунок 1. Обобщенная математическая модель безнапорной гравитационной
микроГЭС
3. Результаты.
В Simulink результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц. В данном случае получена зависимость скорости турбины от напора и внешнего диаметра турбины (рисунок 2).
Рисунок 2. Зависимость скорости турбины от напора и внешнего диаметра турбины
Таким образом, построенная математическая модель обеспечивает не только кинематические, но и динамические характеристики, необходимые для полноценного функционирования разработанной безнапорной гравитационной микроГЭС.
References
1. Dhakal Sagar, Timilsina Ashesh, Dhakal Rabin, Fuyal Dinesh, Bajracharya Tri, Pandit Hari, Amatya Nagendra, 2015. Mathematical modeling, design optimization and experimental verification of conical basin: Gravitational water vortex power plant, doi: 10.13140/RG.2.1.1762.0083.
2. Faraji A., Jande YAC, Kivevele T. Performance analysis of a runner for gravitational water vortex power plant // Energy Sci Eng. - 2022. - Volume 10. - Issue 4. - P. 1055-1066. doi:10.1002/ese3.1085.
3. Powalla D., Hoerner S., Cleynen O., Müller N., Stamm J., Thevenin D. A Computational Fluid Dynamics Model for a Water Vortex Power Plant as Platform for Etho-
and Ecohydraulic Research // Energies. - 2021. - Volume 14. - Issue 3. doi:10.3390/en14030639.
4. Sedai Ashish, Yadav Bharosh, Kumal Binod, Khatiwada Aamod, Dhakal Rabin. Performance analysis of Gravitational water vortex power plant using scale-down model // Current Research in Hydropower Technologies. - 2020. - P. 1-11.
5. Zulfikre Esa, Juliana Hj Zaini, Murtuza Mehdi, Asif Iqbal & Malik Muhammad Nauman. Design, Fabrication & Analysis of a Gravitational Water Vortex Based Energy Harvester // International Journal of Green Energy. - 2023. - Volume 20. - Issue 1. - P. 77-88. doi: 10.1080/15435075.2021.2023880.
6. Niroj Dahal, Radha Krishna Shrestha, Sajjan Sherchan, Sanam Milapati, Shree Raj Shakya, Ajay Kumar Jha. Performance Analysis of Booster based Gravitational Water Vortex Power Plant // Journal of the Institute of Engineering. - 2019. - Volume 15. - No. 3. -P. 90-96.
7. Vinayakumar B., Rahul Antony, Binson V.A., Youhan Sunny. Gravitational water vortex: Finite element analysis based design and implementation // Chemical and Process Engineering. - 2022. - No. 43(3). - P. 357-368. doi: 10.24425/cpe.2022.142279.
8. Didit Setyo Pamuji, Nizam Effendi, Daru Sugati. Numerical study on the performance and flow field of varied conical basin for efficient gravitational water vortex power plant // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Volume 2187. - Issue 1. - P. 1-7. doi:10.1063/1.5138256.
