автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Свободнопоточная переносная гидроэнергетическая установка для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИЭСХ)

Из праийт

КЛРГИЕВ Владттр Маратович

СВОБОДНОПОТОЧНАЯ ПЕРЕНОСНАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.08 - преобразование возобновляемых видов энергип я установки на их основе

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

/

( / ' ' / '

/

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте елехтрифнкации сельского хозяйства (ВНЭСХ)

Научный руководитель - кандидат технических наук, старакй

научный сотрудник, вксперт ООН по гспо-льзованшо возобновляемых источников анергии в сельском хозяйстве

Муругов В.п.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Виссарионов В.И.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Сувнчалиев P.C.

Ведущая организация - НИН Энергетических сооружений

Защита состоится 199 3 Р< в ■ю часов на

заседании специализированного совета Д.020.15.01 при Всерооокй-скои научно-исследовательском институте влектрвфюсацих сельского хозяйства по адресу: 109456, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВНЭСХ.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ВИЭСХ.

Автореферат разослан " "/ *GMjvLtXiAs 1993 г. Отзывы на автореферат, заверенные печатью (в двух »кэемляярах) просим направлять по вмоеухазанному адреоу.

Ученый секретарь

специализированного совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Некрасов A.I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время резко повысился интерес к освоению возобновляемых энергоресурсов, такнх как солнечная, ветровая, геотермальная н гидравлическая внергии, что обусловлено возрастающими затратами на добычу органического топлива из-за сокращения его запасов, обострившееся экологической обстановкой в связанными с этим ограничениями на ввод и эксплуатацию тепловых я атомных электростанций.

Специфика сельскохозяйственных потребителей а^ектровнергин требует применения транспортируемых енергоисточников. В то п время, многие сельскохозяйственные потребители.расположены вблизи водотоков, и поэтому представляет интерес создание мобильных микроГЭС мощностью до нескольких десятков кВт, использующих анергию малых рек, потенциал которых в стране составляет более 56 млн.кВт и почти не используется.

Относительно большая масса и трудность создания необходимого напора воды обуславливает ограниченное применение напорных, ж частности рукавных, микроГЭС. Нетрадиционным решением поставленной задачи является создание установок, использующих не потенциальную, а кинетическую энергию текущей воды. В атом случае не требуется устройств, организующих поток воды (плотина или напорный водовод, отсасывающая труба), что приводит к значительному снижению капитальных вложений а упрощению конструкции микроГЭС. Другим преимуществом бесплотинных станций является экологическая' чистота, обусловленная тем, что при их работе используется только часть створа реки и вода проходит через гидротурбины под малым напором (0,05 - 0,5 и). Областью применения таких шпсроГЭС является электроснабжение маломощных (до нескольких кВт) потребителей, удаленных от сети централизованного электроснабжения, таких как чабанские бригады, полевые станы, садовоогородные И приусадебные участки, метеопосты, пункты связи, геологические экспедиции и т.п.

Работа выполнена в соответствии с государственной научно-технической программой "Экологически чистая энергетика", направленно "Нетрадиционная энергетика"

Пелью данной работы является создание свободнопоточных переносных микрогидроэлектростанций (СПМГЭС), обеспечивающих эффективное использование кизкопотенциального диапазона энергии

малых рек и водотоков для электроснабжения сельскохозяйственны* потребителей.

В соответствии с поставленной целью сФормулированы следующие задачи исследования:

- выработать рекомендации по выбору расчетной скорости течения при проектировании свободнопоточньос гидроэнергетических установок на основе оценки ресурсов кинетической энергии малых рек Рв в некоторых районах предполагаемого использования СПМГЭС;

- обосновать класс и типоразмер свободнопоточных гидротурбин, используемых в СПМГЭС;

- оптимизировать конструктивные в. энергетические параметры СПМГЭС и разработать методику для определения оптимальных параметров и режимов работы узлов микроГЭС.;

- разработать надежный эффективный бесконтактный электрогенератор , работающий в условиях повышенной влажности;

- разработать математическую модель (Ш) свободнопоточной микроГЭС и методику математического моделирования СПМГЭС;

- исследовать режимы работы свободнопоточной микроГЭС про различных входных параметрах (величины и стабильности скорости течения, а также характера нагрузки);

- провести анализ устойчивости работы микроГЭС и определить пути повышения надежности работы условиях колебаний скорости течения и нагрузки;

- разработать требования к СПМГЭС, изготовить экспериментальные образцы и провести испытания;

- определить технико-экономическую эффективность применения СПМГЭС в зависимости от мощности нагрузки и места установки минроГЭС.

Методика исследований включает теоретическое решвкиа поставленных задач с использованием математического моделирования ,,а ^ВИ, экспериментальное исследование и подтверждение полученных результатов.

Научная новизна работы состоит в обосновании класса г ткпораэиера свободнопоточных гидротурбин и их конструктивных параметров, разработке методики оптимизации параметров свободнопоточной микроГЭС в зависимости от величины скорости потока, номинальной мощности установки и характеристик потребителя,

разработке рекомендаций по применению различных шов тгкроГЭС в зависимости от условий работы п назначения установки.

Разработана математическая модель и схема замещения СП!£ГЭС. Исследованы динамические процессы а микроГЭС с применением метода прямой аналогии механических и электромагнитных систем.

Определен диапазон номинальной мощности мнкроГЭС и скоростей потока воды, при которых использование свободнопоточных мнкроГЭС экономически наиболее выгодно.

Практическая ценность заключается в создания переносной микроГЭС, использующей низкопотенциалъную энергию течения воды н обосновании эффективности ее применения для электроснабжения удаленных маломощных энергопотребнтелей в сравнении с другими типами источников электроэнергии. Для практического выбора типа источника возобновляемой энергии разработана методика, позволяющая по номограмма выбирать наиболее эффективный тип энергоисточника по минимуму приведенных затрат на единицу вырабатываемой электроэнергии на основе данных по энергоресурсан в район» эксплуатации и потребляемой мощности.

Даны рекомендации по выбору структуры свободнопоточной мнкроГЭС для различных режимов работы СПМГЭС.

Реализация результатов исследований. Результаты выполненных . в диссертации исследований использованы в ВИЗСХ, лаборатории мнкроГЭС и ветроэнергетики, при выполнении работ по конкурсному проекту ГКНТ СССР "Портативные переносима комплектные электрические станции п сборио-раэборныа водоподъемные установки яа основе использования нетрадиционных источников энергии для автономных сельскохозяйственных потребителей", при разработке переносной свободнопоточной нихроГЭС по заданию ГКНТ РФ и Министерства науки и технологической политики РФ "Разработать и освоить серийное производство свободнопоточньос бесплотинных беэ-рукавиых микроГЭС" (изготовлены н испытаны опытные образцы микроГЭС номинальной мощностью 120 Вт), при разработке концепция Государственной научно-технической программы "Экологически чистая энергетика".

Апробация работы. Материалы диссертации доложены я обсуждены на научных конференциях ВНЭСХа, региональных в республиканских конференциях в Москве, Севастополе, Кацивелн (Крым).

Публикация результатов исследований. По результатом исследований опубликовано 7 печатных работ.

^ Структура и объем работы. Диссертационная работе состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (124 наименования, в т.ч. 30 иностранных источников), 9-ти приложений в содержит /â/стр. машинописного текста, 66 рисунков, 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность выбранной темы дио-сертационной работы н ее связь с государственными координационными планами, дается характеристика выбранных направлений и методов исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены автономные'сельскохозяйственные потребители и структура их энергопотребления. Вопросам создания автономных источников электроснабжения и использования возобновляемых источников энергии посвящены работы Будэко И.Л., Бородина И.О., Виссарионова В.и., Васильева D.C., Демина A.B., Евдокимова В.Н., Мартыиенко H.H., Лятхера B.U., Иванова П.П., Пшю-ва A.b., Потаенко К.Д., Рябикова C.B., Севернева U.M., Стребко-ва Д.С., Тиме И.В., Усаковского В.Ы. и других ученых. Проанализированы тенденции развития систем преобразования внергии течений рек, каналов и водотоков. Особое внимание уделено установкам, преобразующим кинетическую энергии течения воды в электрическую. Анализ способов и технических средств преобразования энергии водотоков показал, что для электроснабжения маломощных (до нескольких кВт) удаленных от сетей централизованного электроснабжения потребителей, во многих случаях являиаихся нестацио-нарньаш, целесообразно применение свободнопоточных микроГЭС, г"ладаицих малыми удельной массой в приведенными затратами на единицу вырабатываемой электроэнергий.

Сформулированы требования, " предъявляемые к микроГЭС для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. Дана классификация установок, преобразующих энергию текущей воды в безнапорном режиме по типан применяемых в них гидродвпгателей. Рассмотрены теоретические основы преобразования кинетической энергии течения рек. Даны рекомендации по использованию различных типов

гидеот1 Зин в зависимости от условий их работы. Анализ конструктивных решений свободнопоточных иикроГЗС показал, что почти все они являются опытными установками, изготовленными в одном - двух экземплярах (за исключением гирляндных ГЭС), почти не реализовы-вались и, следовательно, не совершенствовались. Проведенная систематизация и критическая оценка известных типов и конструкций свободнопоточных мнкроГЭС позволили поставить задачи, указанные в целях диссертации, которые необходимо решить для создания переносной свободнопоточной микроГЭС.

Вторая глава посЕящена разработке а теоретическим исследованиям СПМГЭС.

Определены статистические характеристики распределения скоростей течения малых рек Рв в районах предполагаемого использования свободнопоточных микроГЭС.

При проектировании свободнопоточной мнкроГЭС важными показателями являются скорость потока, его глубина и ширина; для основных районов предполагаемого использования свободнопоточных иикроГЗС были собраны данные по этим параметрам, приведенные в гидрологических ежегодниках Гидрометеоцентра СССР. Создана база данных (БД) по рекам бассейнов Волги, Камы, Урала, Оби, Терека, Ангары, Амура, Енисея, Проведенный.статистический анализ скоростей течений рек позволяет сделать вывод, что скорость течения воды в реке практически не зависит от ее величины и определяется уклоном ее русла; скорости течения в половодье и паводки увеличивается более чем в 2 раза, максимум скоростей наблюдается в апреле для бассейнов Волги, Камы, Урала (центр России), в мае -для бассейнов Иртыша и Енисея, в иене - Амура и Ангары. Для рек с ледниковым питанием максимум скоростей приходится на летний период. Для рек со снеговым и сметанным питанием скорость-течения и сток постепенно уменьшается после окончания половодья, достигают локального минимума примерно в августе, затем онова возрастают в сентябре-ноябре. Это связано с увеличением выпадения осадков в осенний период.

Определены средние и наиболее вероятные скорости течения по бассейнам рек в различные сезоны года. На рис, 1 приведены эмпирические кривые обеспеченности для всех рек БД по сезонам года.

Для характеристики распределения скоростей течения применена наиболее часто употребляемая в гидрологии биномиальная ассимет-ричноя кривая распределения:

где > - ордга эта кривой обеспеченности; уо - наибольшая, или модальная, ордината;

(1 - расстояние от модальной ординаты до' центральной (радиуо асимметрии);

Ь - расстояние от модальной ордиьаты до левого конца кривой. Даны рекомендации по выбору расчетной скорости течения при проектировании свободнопоточных микроГЭС, которые зависят от назначения, района установки и режима использования микроГЭС. При работе СМГЭС в горных районах (Северный Кавказ, Алтай, Дольний Восток) на реках с большим уклоном русла расчетная скорость свободнопоточной микрох'ЭС может приниматься в пределах 1,5-2,5 м/с (в среднем 2 м/с). При этом установка должна сохранять работоспособность при скоростях потока от 1 до 3 м/с. При использовании СМГЭС в равнинных районах целесообразна сезонная работа, т.к. большинство рек замерзает энной. Расчетная скорость течения свободнопоточной микроГЭС - от 1 до 1Л5 м/с с сохранением работоспособности при скоростях от 0,5 до 2,5 м/с.

обоснована структура СПНГЭС. Исходя из выбранного физического принципа действия, структура СПМГЭС должна содержать следукцие элементы: 1) преобразователь гидравлической энергии течения воды в механическую - гидротурбину; 2) преобразователь механической энергии в электрическую - электрогенератор; 3) преобразователь юхяническйх угловых . скоростей и моментов - мультипликатор; 4) регулятор и стабилизатор выходного параметра (напрясешш генератора) - регулятор напряжения; 5) потребитель электрической энергия.

Гидротурбина свободнопоточной микроГЭС доляна отвечать еле-

V. т/о

Рис.. 1. Эмпирические кривые обеспеченности скорости течения для всех рек базы данных в различные сезоны года 1 - весной; 2 - летом; 3 - осенью; Ч - зимой; 5 - среднегодовая

Рис 2 : Максимальный общий КПД системы генератор-иультипликатор и соответствующая скорость вращения вала генератора

дующим требованиям: иметь большую быстроходность, обладать высоким КПД, иметь малую массу, быть простой и надежной в эксплуатации. Анализ энергетических и эксплуатационных показателей турбин показал, • что наилучшими характеристиками обладают гидротурбины с лопастями аэродинамического профиля а ортогональной потоку осью вращения, имеющие наименьшую массу, высокие быстроходность и КПД. Этот тип гидротурбин Сьш выбран для использования в спмгэс.

Большое, интерг-: представляет выбор номинальной скорости вращения электро1¿нератора. Скорость вращения вала гидротурбины при скорости течения 0,5-3 м/с лежит в пределах 60-350 об/мин (при диаметре гидротурбины около 0,4 м). В зависимости от номинальной скорости вращения вала электрогенератора изменяется его масса и КПД, а также передаточное число, касса и КПД мультипликатора. Для решения вопроса об оптимальном выборе скорости вращения вала электрогенератора и передаточного числа мультипликатора было проведено моделирование системы электрогенератор -зубчатый мультипликатор для мощностей от 100 до 5000 Вт при различных расчетных скоростях вращения вала электрогенератора. Проведен сравнительный анализ схем преобразования мощности: "турбина - генератор" и "турбина - мультипликатор - генератор". Критериями для сравнения принимались общий КПД и удельная масса на 1 кВт установленной мощности. Результаты моделирования приведены на рис. 2.

Анализ показал, что с точки зрения получения максимального КПД преобразования применение схемы "турбина - мультипликатор -генератор" целесообразно при скорости вращения гидротурбины менее 1200 об/мин. Эту же схему необходимо применять и для достижения минимальной удельной массы. Так как скорости вращения вала свободнопоточных гидротурбин при схорости течения до 3 м/с в ; -чшем случае могут .достигать величины 500 - 600 об/шш, непосредственное соединение валов гидротурбины и электрогенератора нецелесообразно, так как приводит к значительному увеличению массы установки и снижению КПД.

С учетом результатов'проведенного анализа по оахазу виэсха НПО "Автоэлектроника" разработаны генераторные установки (ГУ) с электронным регулятором напряжения на основе тракторных индукторных электрогенераторов.

Про-едена оптимизация основных конструктивных параметров и рабочих рохпиоь СПМГЭС по критериям минимума массы н максимума вырабатываемой мощности. Оптимизация проводилась о использованием частных а мультипликативных критериев. Задача оптимизации формулировалась в следующих видах;

1) при оптимизации по частньм критериям:

а) Р " P(Dr, Z, Lr) —> шах б) М ■ H(Dr, Z) —> min

где ~р, М, О», 2, Ьт , V - соответственно копиоеть, касс о, дпаиетр, быстроходность к общая длина гидротурбин я скорость течения воды.

разработана методика определения основных коиструкттевиыг Н энергетических параметров (М, 0», Ъ, Ьт, Р, коякодства евкпий турбины Кс.«) СПМГЭС с ортогональными птдротурбгагаия рв«ного па» и клмнрремениым или зубчатый мулъткпягскзторо!«,

для решения задачи оптимизация свозодяспогочггоЛ гогкропзС применялся модифтхщзоваппыД метод !"уия-Дхтгпея. Дггя рввякзаспта алгоритма поиска оптимальных парвиогрси С1ТМГЗС была разработана программа, реализующая процедуру оптимизация о аналоговой режим». Разработанные методика, алгоритм решения к его программная реализация позволяет решать задачу оптикизогия крк разите«»« входных параметрах, ограничениях, значениях козффяшкяггев я используемых в СПМГЭС материалах. Программа ногот бмгь использована при проектировании свободнопоточяой юткроГЭС р'азлячно® мощности при любой расчетной скорости течения.

Проведена оптимизация начений диаметра От, длины Ь», количества секций Кс.» и быстроходности 1 в рабочей точке гидротурбины свободнопоточной микрогэс мощностью до 120 Вт. При решении задач оптимизации были приняты следующие ограничения: М..» = = 20 кг; и..* = 1 м; Dr.ii. = 0,2 м; Г>т««« = 1 М; Р.1. = ?0 Вт.

при ограничениях Drais i Th S Dr.«ж ; Zm 5 Z 5 Zо ; Lt 5 Ltbiz ; M s Н..Ж; V » v,.„.

при ограничениях Г>т«1. S Dt S DT««» ; Zm S Z i Zi| Lr i Ltbbi P - P...i V ■ V,., .

2) при оптимизации по мультипликативному критерию:

3)1?» F(Dr, Z, Lt) —> min (F = k-H'/P»)

при ограничениях Dt.in S Вт i Dr.«»; Z. S Z S Zo ; Lt S Lt..«; M S Mm,*; P 2 Р.1.; V я V»«,.

Скорость течения V изменялась в пределах 0,5 - 2,5 м/о. Результаты оптимизации при шшюшзащш критерия М/Р (рис. 3) была использованы при разработке переносной микроГЗС СПМГЭС-0,12.

Для исследования ди-амических процессов при работе СГО1ГЭС а режимов запуска микроГЗС была разработана ИМ СПМГЗС-0,12 и составлена эквивалентная схема замещения о использованием метода прямой аналогии (рис. 4). При_ моделировании было выделено 2 подсистемы - механическая вращательная и электрическая.

Моделирование I лдротурбины состояло в нахождении зависимости момента на валу гидротурбины от угловой скорости и угла поворота лопастей. Лопасти работают в условиях нестационарного решша обтекания, вызванного непрерывным изменением азимутального угла Ог и связанного с ним угла атаки . Это обуславливает достаточно сложный характер изменения момента гидротурбины. Даже при постоянной скорости течения V момент турбины претерпевает периодические колебания с периодом 2Л"/1>, способные при определенных условиях ' вызвать пульсация основных реш&шых параметров свободнопоточной микроГЗС. Для крутящего момента одной лопасти было получено;.

= 0,5 рв V2 Ет Сд«ет) к2(Х) (И2 2 С05(ет)

Для вычисления крутящего момента гидротурбины необходимо просуммировать моменты отдельных лопастей

1.

ф - ф

ЧУР ' 1 ^

■

л Л

Тпр : Щ 8Т; : Щ 8Т, ит)

м кг

Р, Вт

■м

•Мт

• Ммп

а) Р - мощность; Н масса микроГЭС; нт - масса турбины Ммп - масса мультипликатор?

О, m

Keek, L

а .

■DT

•L

•Keek

б) Бт - диаметр турбшш; ь - длина турбшш; Хсек - количество секций турбины Рис. 3. оптимальные параметры СПИГЭС при критерии минимума й/Р и использовании клиноременного мультипликатора

где S» = b» - L« • i» - общая площадь лопастей гидротурбины j k(Z) - коэффициинт, учитывающий зависимость характеристики крутящего момента от быстроходности;

Сч (От ) - коэффициент тянущей силы лопасти ; в» - азимутальный угол поворота турбины; i. - количество лопастей в гидротурбине ; Rr - радиус гидротурбины.

П. и моделировании механической подсистемы гидротурбина представлялась зависимым источником тока ITT, величина которого равна крутящему моменту на валу гидротурбины. Инерция масо турбины учитыва. ась на схеме замещения емкостью CJT, равной сумме моментов инерции лопастей и траверс гидротурбины и ведущего шкива мультипликатора. Потери в подшипниках турбины п мультипликатора учитывались соответственно проводимостями GT п GMP. Иультп-пликатор моделировался взаимозависимыми источниками тока IMP ц напряжения VMP. Потери в ремне мультипликатора и сколымншо учитывались введением нелинейного сопротивления IMP, величина которого зависит от протекающего через него тока, инерция масс im валу электрогенератора - емкостью CJROT, ровной сумме момэнтов инерции ведомого шкива мультипликатора, трансмиссия я ротора генератора, крутильные гибкости валов турбины и генератора -индуктивностями LVT и LVG. Потери в подшипниках генератора и му льт ишшкато р а учитывались введением проводимости GROT. Эпоктро-магнитный момент на валу генератора моделировался оавиенмыи источником тока ITG, селичина которого зависит от электрическое нагрузки и частоты вращения вала электрогенератора.

доведено моделирование по схеме рис. 4 на ЗЕЦ с Еепзкьэова-нием пакета прикяапных программ для анализа кеяшювкиг зяактрон-ных схем. моделирование механической системы к ГУ прободалось раздельно вследствие большой разницы постоянны*: sponetni подсистем. определены условия самозапуска иихроГЗС и ьреыл протекания переходных процессов при различных скоростях течения к нагружен-ности микроГЭС (рис. 5). Для самозапуска турбины СПНГЗС под нагрузкой необходима установка дополнительных турбин актпвпого типа. Результаты исследований разработанной ыоде/m СЛШГЭС использовались при отработке конструкции свободнопоточной макроГЗС нокина-льной мощностью 120BT. экспериментальное исследование ССШГЗС-0,12 показало хорошее соотиетствне модели реальной установке.

- 13 -

1уг ¿нем ем» ¿Уй

Рис. 4. Полная схена замещения свободнопоточной микроГЭС

Рис. 5. Результаты моделирования запуска и переходных процессов в СПМГЭС-0,12 при колебаниях скорости потока при сопротивлении нагрузки 3 Он и средней скорости течения 1 м/с УСЛ - угловая скорость врашения гаи отурбины; УУС - напряжение на выходе микроГЭС; 11?нр - приведенный крутящий нонент на валу ГУ

Третья глопа содераагг описание экспериментального образца С Л1ГЭС-0, 1 2, иетодлк проведения испытаний и измерения параметров ГУ и шшроГЭС, результаты лабораторных исследований ГУ и испытаний СШГЭС-0,12 в натурных условиях.

Исследования генераторных установок проводились с целью определения их основных энергетических характеристик в режима переменной скорости вращения вала и мощности гидротурбины. Испытания проводились на испытательном стенде КЦ-9 6 8-ГОСННТИ УХЛЧ.

Установлена эффективная и устойчивая работа электрогенераторов в диапазоне скоростей вращения от 300 до 2000 об/мин для ГУ мощностью 300 Вт и от 420 до 3000 об/мин для ГУ мощностью 120 Вт.

На основании проведенных теоретических исследований был спроектирован и изготовлен образец переносной своСоднопоточной микроГЭС мощностью 120 Вг при расчетной скорости течения воды V = 1,5 м/с. В качестве гидродвигателя применены ортогональные турбины с лопастями профиля NACA 0018 и горизонтальной осью вращения. Геометрический размеры элементов турбины рассчитывались с учетом результатов, полученных при оптимизация микроГЭС. Площадь сечения турбины 0,81 м, диаметр 0,45 м, длина лопасти в секции 0,4 5 м. Секции гидротурбины установлены на общем валу, изготовленном из алюминиевой трубки диаметром 30 мм. Турбина состоит ..з 4-х секций, причем лопасти каждой секции смещень относительно лопастей других секций на 45' для обеспечения равномерности вращения. Наружные секции закреплены консольио ti могут сниматься, что обеспечивает возможность уменьшения мощности турбины. На средние 2 секции гидротурбины дополнительис установлены роторы Савониуса, которые обеспечивают саыозапус! микроГЭС под нагру-кой. Диаметр ротора Савониуса в 3 раза меньвк диаметра ортогональной турбины. Вращающий момент, возникающий при воздействии на гидротурбину потока воды, передается на aaj электрогенератора механической передачей с передаточньп отношенном i»» = 6. Масса свободнопоточной микроГЭС 24 кг. nepej гидротурбиной установлены штыри из алюминиевой проволоки наклоненные сверху вниз . Водоросли и другие плывущие на МНКроГЭ! предметы, попадают на эти штыри, скользят по ним вниз 1 щюпшьй».' под турбиной, не мешая ее работе. Штыри выполняю-тпл.ю йощитную функцию, г итруднял случайное попадание плавающи л'чце-й I! область работы турбины.

1-шкроГЭС испытана в натурных условиях на реке Пехорка, Московская область, при скоростях течения 0,9 я 1,05 м/с. НлкроГЭС надежно самозапускалась при погружении в поток. Общий КПД микроГЭС около 13 Результаты испытаний СПНГЭС-0,12 приведены на рис. 6.

Испытания доказали работоспособность и хорошие 3i<canvaTa-ционные показатели свободнопоточной иикроГЭС при электроснабжении маломощной нагрузки постоянного тока при скоростях потока воды более 0,8 м/с. Мощности микроГЭС при скорости потока 1 м/с достаточно для питания различной радиоэлектронной и бытовой аппаратуры (напр. радиоприемник, телевизор, радиостанция, магнитофон , электробритва и т.п.).

Четвертая глава содержит анализ технико-экономических показателей свободнопоточной микроГЭС, исследование влияния мощности микроГЭС и скорости течения потока в месте установки микроГЭС на показатели эффективности, сравнение электроснабжения маломощных потребителей электроэнергии при применении свободнопоточной микроГЭС и других источников возобновляемой энергии. Результаты сравнительного анализа стоимости получаемой электроэнергии в мировых ценая для различных энергоисточников приведены на рис. 7. Разработана номограмма для выбора наиболее эффективного BID в зависимости от располагаемого ресурса возобновляемой энергии п требуемой мощности.

Установлена экономическая целесообразность использования СШГЭС в водотоках со средней скоростью течения более 1 м/с. При этом годовой экономический эффект при мощности СШГГЭС 120 Вт и сравнении с электроснабжением от бензоэлектросчаиции составляет: при скорости течения 1 м/с - 13860 руб., при скорости течения 1,5 м/с - 18810 руб.(в ценах на начало 1992 г.).

выводы

1. Одним из путей использования нкзкопотенциальной анергии малых рек и водотоков является создание свободнопоточкьк гидроэнергетических установок мощностью до 1-3 кВт, преобразующих кинетическую энергию течения воды в реках со скоростью течения 0,8 м/с п более .

70 60 50 40 30 20 10 О

р. Вт

м, в

И. л

1 ! Г" — ,

Р-Г

1 X У ■у I 1 1

, г ' ' I •

Т , ,| ) , .-л

0-0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 И, А — иа -ь- р -*- К -в- РГ

а) 4(1, Р - выходные напряжение и мощность иикроГЭС; Н. Pi - ток и мощность обмотки возбуждения

1200

п, о5/мин

1 1 ч !

: о '—! —6—

| ^ 1 г | ! I

х8' _

г-уА г / Г' н-х -К-К- - ........ . -

-А-А- ,- ,-,

<?, х г 1—16

14 12 10 а е

4

г о

0.5 1 ¡.5 2-" 2.5 3 3.5 4 4.5 5 И, А —к— 2 -п п ~'

ч

б) пт, пгскорости вращения валов турбины и генератора; 1 - быстроходность турбины; г) - обший кпд микрогэс

Рис б результаты натурных испытаний СПМГЭС-0.12 с

комбинированными турбинами при скорости течения 1,05 м/с

♦/кВт 1.

рис, 7. Приведенные затраты на производство электроэнергии

различными энергоисточниками 1', 1" - дизель- и бепзоэлектростанцияни при дене топлива соответственно 1,5 и 0,25 $/л ■2'. 2" - ветрозлектросташшяни при среднегодовой скорости ветра '1 и б м/с 3', 3" - Фотоэлектрическими стапшшни при суточном приходе

солнечой радиации Ч и б кВ'пч/м*' '!', Ч" - свободнопоточнкни ншсрогэс при скорости потока води 0,8 и 2 м/с

5 - напоршш никроГЭС

6 . - от сетей централизованного электроснабжения при

расстояшш до потребителя 40 км

2. Создана Саза данных, содержащая сведения по основный характеристикам малых рек в районах предполагаемого использования сьободнопоточных макроГЗС. Проведен статистический анализ для скоростей течения рек с целью определения диапазона расчетных скоростей потока для проектирования свободнопоточной мккроГЗС.

3. Разработан - метод оптимального параметрического синтеза свободнопоточной микроГЭС с учетом расчетных скорости течения и иоадюст I микроГЭС и получены зависимости, устанавливавшие оптимальные связи между диаметром От, быстроходностью 2 и количеством секций Ко. гидротурбины и ресурсами кинетической энергии воды, обеспечиь^глцие минимум массы микроГЭС и максимум вырабатываемой электроэнергии. При расчетной скорости течения 1-1,5 м/с и мощность микроГЭС 120 Вт оптимальные значения Бт - 0,4-0,5 м, г - з. Кс. - 4.

4. Выполнен анализ рационального совмещения рабочих характеристик гидротурбин и электрогенератора комбинированного возбуждения. обоснована структура СПМГЭС. Найдены оптимальные скорости вращгния вала электрогенератора в зависимости от его мощности ц скорости вращения гидротурбины. Целесообразно применение мультипликатора при скорости врадония вала гидротурбины некое 1200 об/мин.

5. Разработана ММ и схема замещения СШГЭС-0,12. С помощью моделирования на ЭВМ исследованы динамические процессы ю свободнопоточной микроГЭС при запуске и роботе но нагрузку постоянного тока. На основе анализа переходных процессов В системе даны рекомендации по выбору параметров свободнопоточной микроГЭС и рассчитана комбинированная гидротурбина, состоящая из ортогональной турбины и расположенным соосио ротором Савоипуса, служащим для обеспечения надежного самоэапуска микроГЭС под нагрузкой.

6. разработана методология построения свободнопоточных микроГЭС мощностью до 300 Вт, преобразующих энергию водотоков со скоростью потока от 1 до 3 и/с.

7. Изготовлены опытные образцы микроГЭС СПМГЭС-0,12 на заводе НПО "Энергия" (г. Калининград, Московская обл.). мощностью 120 Вт при скорости течения 1,5 м/с и подтверждена ее эффективная роСота при преобразовании ннзкопотенциалыюго диапазона кинетической онергип малых рек и водотоков со скоростью Солее 0.« м/с.

Намечено изготовление опытной партии СПМГЭС-0,12 и СМГЭС-0,3. Установка СГШГЭС-0,12 прошла межведомственные испытания н рекомендована к серийному производству.

8. Определена эффективность использовашхя для электроснабжения малых сельскохозяйственных потребителей свободнопоточны:: микроГЭС. Установлена экономическая целесообразность использования свободнопоточны* микроГЭС в водотоках со средней скоростью течения более 1 м/с. При этом годовой экономический эффодт составляет 13860 руб на одну установку при сроке окупаемости капитальных вложений 4 месяца (в ценах на начало 1992 года).

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах;

1. A.c. 1737148 (СССР), МКИ F 03 В 13/00. Свободнопоточная гидроэнергетическая установка /Каргиев В.М., муругов В.П., Шутьков С.А.//Бюллетень изобретений, N'20, 1992.

2. Муругов В.П., Каргиев В.М. Эффективное использование Фотоэлектрических станций для электроснабжения потребителей сельского хозяйства. //НТВ ВИЭСХ. 1989. Вып. 2(65), с. 63-70.

3. Муругов В.П., Каргиев В.М. Использование возобновляемых источников энергии для электрификации автономных потребителей в сельском хозяйстве. //Сборник научных трудов ВИЭСХ, т. 74. id.:

1990, с. 133-141.

4. Муругов В.П., Каргиев В. 14. Разработка переносных микроГЭС для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. //Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. семин. "Нетрадиционные электротехно-Л01 пи в сельскохозяйственном производство и быту села". Кацнвелн,

1991. Н.: 1991, с. 51-52.

5. Каргиев В.М. Разработка и испытание свободнопоточных переносных микроГЭС. //Электрнфшоцня и теплофикация сельскохозяйственного производства, Паучно-технический информационный сборник. Вып. б, 1991, с 9-11 .

6. Муругов В.П., Квргиев В.Ы. Оптимальный параметрический синтез свободнопоточных микроГЭС //Техника в сольском хозяйстве, 1993, N* 3.

7. Муругов В.П., Каргиев В.П., Сокольский А.К., Зайцев ~ .И Переносная микроГЭС //Сельский механизатор, 1993, N'3,