РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МИКРОГЭС ЭФФЕКТИВНО РАБОТАЮЩЕЙ В НИЗКОНАПОРНЫХ ВОДОТОКАХ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

AUNiVERSUM:

№ 4 (97)_- » • •¿-■-i-i-ir.:.- ■:>: - I _апрель. 2022 г.

DOI - 10.32 743/UniTech.2022.97.4.13507

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МИКРОГЭС ЭФФЕКТИВНО РАБОТАЮЩЕЙ В НИЗКОНАПОРНЫХ ВОДОТОКАХ

Мамедов Расул Акиф-огли

докторант, Бухарский инженерно-технологический институт,

Республика Узбекистан, г. Бухара E-mail: rasul_91-92@mail.ru

DEVELOPMENT OF A METHODOLOGY AND MATHEMATICAL MODEL OF A MICRO HYDROELECTRIC POWER PLANT THAT OPERATES EFFICIENTLY

IN LOW-PRESSURE WATERCOURSES

Rasul Mamedov

Doctoral student, Bukhara Engineering Technological Institute,

Republic of Uzbekistan, Bukhara

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены теоретические исследования гидроэнергетической установки, эффективно работающей в низконапорных водотоках со скоростью потока воды от 1-4 м/с. При разботке математической модели водяного колеса была использована программа Matlab/Simulink. По результатам исследования было установлено, что для эффективной работы водяного колеса в низконапорных водотоках угла наклона лопасти на выходе из воды составляет р = 30°. Также в ходе исследования были определены расход воды и коэффициент использования энергии потока воды равные Q = 0,75 м3/с и Cp = 0,15 соответственно.

ABSTRACT

This article presents theoretical studies of a hydropower plant that effectively operates in low-pressure watercourses with a water flow rate of 1-4 m/s. When developing the mathematical model of the water wheel, the Matlab/Simulink program was used. According to the results of the study, it was found that for the efficient operation of the water wheel in low-pressure watercourses, the angle of inclination of the blade at the exit from the water is p=30°. Also, in the course of the study, the water flow and the energy utilization factor of the water flow were determined to be Q=0.75 Q = 0,75 m3/s and Cp = 0,15, respectively.

Ключевые слова: водяное колесо, Аму-Бухарский канал, расход воды, скорость потока воды, гидроэнергетический потенциал, коэффициент использования энергии потока воды

Keywords: water wheel, Amu-Bukhara canal, water flow rate, water flow rate, hydropower potential, water flow energy utilization factor

Введение. В мире на сегодняшний день стремительный рост потребления элекроэнергии связанный с увеличением населения Земли, повлекло за собой истощение природных ресурсов, а также изменение климата связанное с выбросами парниковых газов в атмосферу за счёт сжигания природного топлива в целях выработки электроэнергии. Для решения этих проблем необходимо увеличение доли выработки электроэнергии из возобновляемых источников энергии[1].

Согласно отчету Renewables 2020 Global Status Report, электроэнергия выработанная из возобновляемых источников энергии, таких как солнце, ветер, биомасса, геотермальная энергия и гидроэнергетика составляет 27,3 процента [2].

По данным организации International Hydropower Association (IHA) пятерку лидеров по установленной

мощности за период 2020 года замкнули Китай (13760 МВт), Турция (2480 МВт), Индия (478 МВт), Ангола (401 МВт) и Россия (380 МВт). Что касается Узбекистана то в 2020 году он освоил 71 МВт установленной мощности и занял 24 строчку в мировом рейтинге, что значительной превышает по отношению к 2019 году с добавленной установленной мощностью 11 МВт с 40 местом в мировом рейтинге (Рис. 4) [3].

Одним из важнейших комплексов в Республике Узбекистан является система Аму-Бухарского машинного канала (АБМК), расположенного в Бухарской области. Для эффективного использования гидроэнергетической установки необходима в первую очередь точная оценка ресурсов гидроэнергетического потенциала и свойств энергии воды в регионе, где будет применена установка. Впервые гидроэнергетический потенциал Аму-Бухарского машинного канала был оценен в

Библиографическое описание: Мамедов Р.А. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МИКРОГЭС ЭФФЕКТИВНО РАБОТАЮЩЕЙ В НИЗКОНАПОРНЫХ ВОДОТОКАХ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 4(97). URL: https://7universum. com/ru/tech/archive/item/13507

№ 4 (97)

А1

научных исследованиях, ученных Бухарского инженерно-технологического института. В ходе исследования было установлено что ирригационная система Аму-Бухарского машинного канала обладает хорошим потенциалом. Оценка валового гидроэнергетического потенциала составила 200,2 ГВтч и может служить решением проблем с электрификацией отдалённых районов с бесперебойной и надёжной электроэнергией, с применением микроГЭС, эффективно работающей в низконапорных водотоках [4].

апрель, 2022 г.

Методология

Для теоретического обоснования работы гидроэнергетической установки, эффективно работающей в низконапорных водотоках со скоростью потока в диапазоне 1-4 м/с, построим математическую модель конструкции водяного колеса с наружным диаметром 1м.

На рисунке 1 показана схема геометрических параметров конструкции нижнебойного водяного колеса.

Рисунок 1. Схема геометрических параметров конструкции водяного колеса

Из геометрического расположения следует, что величины, наружного диаметра Da и внутреннего диаметра Di водяных колес взаимосвязаны уравнением:

Di = Da

2a

(1)

Высота лопасти "а" рассчитывается в зависимости от внешнего диаметра водяного колеса и расхода воды. Согласно научном исследованиям, для потока с

расходом воды Q < 0,5 м3/с, принято следующее уравнение [5]:

a = Da

4

(2)

Для достижения уменьшения потерь водяного колеса, необходимо:

выбрать глубину погружения ^ изогнутой лопасти, описывающейся расчётным кружком с радиусом г5 форма которой значительно уменьшает коэффициент лобового сопротивления при взаимодействии

с водой по отношению к аналогам с прямыми лопастями взаимосвязаны уравнением [6]:

п = ■

Dacosß+Di

(3)

Угол наклона лопасти на выходе из воды определяется по следующей формуле:

ß = cos

-С1-!)'

(4)

Благодаря геометрическим закономерностям определим зависимость угла в от угла ф:

а + в = 90°, ф + а = 90°,

а = 90° - в,а = ° - ф,а = 90° - ф,ф = в (5) Глубина погружения лопасти определяется по следующей формуле:

2

2

D

D

а

2

2

1

1

h = Ra - Ra • sinß

(6)

Частота вращения водяного колеса рассчитывается по его диаметру и окружной скорости [7]:

n=

U60 nDa

(7)

иа - окружная скорость, м/с;

Окружная скорость водяного колеса равна половине скорости потока воды на входе имеет следующий вид [8]:

U = V

2

(8)

Формула позволяющая определить количество лопастей водяного колеса имеет следующий вид [9]:

z =

Dan

(9)

Глубина погружения лопасти в воду параметр, зависящий от скорости вращения п, толщины лопасти , внешнего радиуса колеса Ra, расхода воды Q, определяется следующим выражением приведенном в литературе [10]:

* = (

R

1,05bschz

1,05bschz\2 Q60 2п ) nBn (10)

Исходя из уравнения (1) получим математическое выражение, определяющее расход потока воды:

q _ nB((2n Ra-1,05 bSch Z) (Ra-Ra sinß)-n (Ra-Ra sinß)2) ^^

Коэффициент мощности Ср, величина выражающая часть энергии потока воды, усвоенной водяным колесом, определяется следующим образом [11]:

£ _ 4n-n-Q

p = pAV3

(12)

где, V- скорость потока воды, р- плотность воды, Q-расход воды, А- ометаемая площадь лопастей, погруженных в воду.

Результаты исследования

В ходе исследования были получены следующие результаты.

На рисунке 2 показаны кривые, полученные в программе МайаЬ^тиИпк охарактеризовываюшие зависимость расхода потока воды Q от угла наклона лопасти на выходе из воды р. Было установлено что при угле наклона лопасти на выходе из воды р = 30°, значение расхода потока воды максимален и составляет Q = 0,75 м3/с.

На рисунке 3 показаны кривые зависимости коэффициента использования энергии потока воды от угла наклона лопасти на выходе из воды в при различной скорости потока воды в диапазоне от 1-4 м/с полученные в программе МаАаЬ^тиНпк. Было установлено что при угле наклона лопасти на выходе из воды Р = 30°°, значение коэффициента использования энергии потока воды принимает максимальное значение при скорости потока воды 4 м/с равное С = 0,1375.

Рисунок 2. Графики зависимости расхода потока воды от угла наклона лопасти на выходе из воды

1 %

Г Х- \ Vm3u/c

-^IWSirt

Л \ - -V4.5

ч ч > \ — Ы 1 ««'r

1 -^ ч N \ ч \

4v\

N \

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

Р, град

Рисунок 3. Графики зависимости коэффициента использования энергии потока воды от угла наклона лопасти на выходе из воды

t

Заключение

В ходе теоретического исследования гидроэнергетической установки, применяемой в низконапорных водотоках со скоростью потока воды 1 -4 м/с, было установлено что для эффективной работы водяного колеса угол наклона лопасти на выходе из воды составил р = 30°, при это расход воды и коэффициент использования энергии потока воды

при скорости потока равной 4 м/с, составили Q = 0,75 м3/с и Ср = 0,15 соответственно. Использование данного водяного колеса, эффективно работающего в низконапорных водотоках, может послужить обеспечению локальных потребителей малой мощности, что приведет к развитию социальной и экономической сфер.

Список литературы:

1. Sadullayev N.N., Safarov A.B., Nematov Sh.N., Mamedov R.A., Abdujabarov A.B. Opportunities and prospects for the use of renewable energy sources in Bukhara region // Applied solar energy. 2020. Vol. 56. № 4 - P. 410-421.

2. Renewables 2020 Global Status Report / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/GSR2021_Full_Report.pdf (дата обращения 11.01.2021).

3. 2021 Hydropower Status Report / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.hydropower.org/publi-cations/2021-hydropower-status-report (дата обращения 11.07.2021).

4. Мамедов Р.А., Сафаров А.Б., Чарыева М.Р. Анализ зависимости коэффициента Шези при оценке ресурсов гидроэнергетического потенциала оросительных каналов Бухарской области // Научно-технический журнал «Альтернативная энергетика». 2021. №1. - С. 52-60.

5. Müller W. Die eisernen Wasserräder - Berechnung, Konstruktion und Wirkungsgrad. - Germany, 1899. - P. 143.

6. Matthias H. Analyse des Zuppinger-Wasserrades - Hydraulische Optimierungen unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte. - Stuttgart, 2018. - P. 192.

7. Мухаммадиев М.М., Уришев Б.У., Мамадиеров Э.К., Умарова Д.М. Новая конструкция наплавной микрогидроэлектростанции // Четверная научно-техническая конференция «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии». - Санкт-Петербурге, 2008. - С. 1-9.

8. Adanta D., Kurnianto M. Effect of the number of blades on undershot waterwheel performance for straight blades // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science - Germany, 2020. 431 - P. 1-6.

9. Quaranta E., Müller G. Sagebien and Zuppinger water wheels for very low head hydropower applications // Journal of Hydraulic Research. 2018. - P. 1-11.

10. Nuembergk D.M., Trostdorf F., Treiber G. Untersuchung zum Wirkungsgrad eines Zuppinger-Wasserrades mit einer kreisförmigen Überfallschütze // Wasserbaukolloquium 2009: Wasserkraft im Zeichen des Klimawandels Dresdener Wasserbauliche Mitteilungen. 2009. - Р. 359-368.

11. Юренков В.Н., Иванов В.М., Клейн Г.О., Блинов А.А., Родивилина Т.Ю, Иванова П.В. Методика расчета обтекания лопасти водяного колеса // Вестник АлтГТУ им И.И.Ползунова. 2006. №2. - С. 143-150.