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

Р Г 6 Ой

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ] 2 Д1]^Ef§ÇÇMCKHÎÏ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИЭСН)

специальность 05.14.08 - преобразование возобновляемых видов энергии в установки на их основе

Авторефорат диссертации на соискание ученой степевв кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте влехтряфккаот сельского хозяйства (ВИЭСХ)

Научный руководят® т. - кандидат технических науж, старая*

научные сотрудник, вксперт ООН по гспользован кп возобновляемых источников внергия в сельском хозяйстве

Иуругов В.п.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Виссарионов D.H.

кандидат технических наук, старетй научный сотрудник Суюнчалжев P.C.

Ведущая организация - ВИВ Энергетического строительства

Защита состоится " f3 * 1993 г. в У О часов на

оаседаней специализированного совета Д.020.15.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте алектрвфихацкк сельскогд хозяйства по адресу: 109456, 1-й Вешняковскжй проезд, 2, ВКЭСХ.

С диссертацией иокно ознакомиться в библиотек« ВКЭСХ.

Автореферат разослан " i »QAA^UUMs 1993 Г. Отзывы на автореферат, заверенные печатыа (в двух »кэемллярах) просим направлять по вышеуказанному адресу.

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 освоение возобновляемых энергоресурсов, такнх как солнечная, ветровая, геотермальная а гидравлическая енергин, что обусловлено возрастающими затратами на добычу органического топлива яэ-эа сокращения его запасов, обострившейся экологической обстановкой в связанными с этим ограничениями на ввод н експлуаташш тепдовьос в атомных электростанций.

Специфика сельскохозяйственных потребителей электроэнергии требует применения транспортируемых анергоисточников. В то же время, многие сельскохозяйственные потребители.расположены вблизи водотоков, и поэтому представляет интерес создание мобильных иикроГЭС мощностью до нескольких десятков кВт, непользующих анергию малых рек, потенциал которых в стране составляет более 56 млн.кВт и почтя не используется.

Относительно большая масса и трудность создания необходимого напора воды обуславливает ограниченное применение напорных, » частности рукавных, иикроГЭС. Нетрадиционным решением поставленной задачи является создание установок, использующих не потенциальную, а кинетическую энерпш текущей воды. В этом случае не требуется устройств, организующих поток воды (плотина ала напорный водовод, отсасывающая труба), что приводит к значительному сиигешш капитальных вложений в упрощению конструкции иикроГЭС. Другим преимуществом бееплотинных станций является экологическая чистота, обусловленная тем, что при их работе используется только часть створа река а вода проходит через гидротурбины под иал 181 напором (0,05 - 0,5 и). Областью применения таких микроГЭС является, электроснабжение маломощных (до нескольких квт) потребителей, удаленных от сети централизованного электроснабхения, такнх как чабанские бригады, полевые станы, садовоогородные в приусадебные участки, метеопосты, пункты связи, геологические экспедиции и т.п.

Работа выполнена в соответствии с государственной научно-технической программой "экологически чистая энерготика", направление "Нетрадиционная энергетика"

Дельо_данной работы является создание свободнопоточных

переносных иикрог идгю электростанций (СПМГЗС), обеспечаваюцнх эффективное использование низкопотенцнального диапазона энергии

малых рек и водотоков для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:

- выработать рекомендации по выбору расчетной скорости течения при проектировании свободнопоточных гидроэнергетических установок на основе оценки ресурсов кинетической энергии мальве рек РФ в некоторых районах предполагаемого использования СПМГЗС;

- обо.иовать класс и типоразмер свободнопоточньос гидротурбин, используемых в СПМГЗС;

- оптимизировать конструктивные и, 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 (Ш1) свободнопоточноА микроГЭС и методику математического моделирования СПМГЭС;

- исследовать режимы работы свободнопоточпой микроГЭС ups различных входных параметрах (величины и стабильности скорости течения, а также характера нагрузка);

провести анализ устойчивости работы микроГЭС и определит! пути повышения надежности работы условиях колебаний скороспа течения н нагрузки;

- разработать требования к СПИГЭС, изготовить оксперимвв-таяьнь» образцы и провести испытания;

- определить технико-экономическую эффективность примеиеиая СПМГЭС » зависимости от мощности нагрузки в места установи микроГЭС.

Методика исследований включает теоретическое решен® поставленных задач с использованием математического моделирование ..в "ЧЕЙ, эксперимеиталыюе исследование и подтверядеиие получении: результатов. ' .

Научная новизна работы состоит в обоснованна класса J типоразмера свободиопоточных гидротурбин и кх конструктивны: параметров, разработке нетодняи оптимизация параметров свободно-поточной микроГЭС в зависимости от величины скорости потока номинальной мощности установки в характеристик потребителя

разработке рекомендаций по применению различных шов мгкроГЭС в зависимости от условий работы я назначения установки.

Разработала математическая модель к схема замещения СПМГЭС. Исследованы динамические процессы а микроГЭС с применением метода прямой аналогии механических я электромагнитных систем.

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

Практическая ценность заключается в создании переносной микроГЭС, использующей киэкопотенцкальнуо энергию течения воды и обосновании эффективности ее применения для электроснабжения удаленных маломощных энергопотребителей в сравнении с другими типами источников электроэнергии. Для практического выбора типа источника возобновляемой энергия разработана методика, позволяющая; по номограмме выбирать наиболее эффективный тип эиарго-нсточника по минимуму приведенных затрат ка единицу вырабатываемой электроэнергии на основе данных по внергоресурсам в район» эксплуатации и потребляемой мощности.

Даны рекомендации по выбору структуры свободнопоточной иикроГЭС для различных режимов работы СПМГЗС.

Реализация результатов исследований. Результаты выполненных в диссертации исследований использованы в ВИЭСХ, лаборатория иикроГЭС и ветроэнергетики, при выполнении работ по конкурсному проекту ГКПТ СССР "Портативные переносные комплектные электрические станции и сборно-разборные водоподъемные установки па основе использования нетрадиционных источников внергии для автономных сельскохозяйственных потребителей", при разработке переносной свободнопоточиой иикроГЭС по заданно ГКНТ РФ и Министерства науки я технологической политике РФ "Разработать я освоить серийное производство свободкопоточньсс бесплотинных без -рукаикых иикроГЭС" (изготовлены н испытаны опытные образцы микроГЭС номинальной мощностью 120 Вт), при разработке концепции Государственной научно-технической программы "Экологически чистая энергетика".

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях ВИЭСХа, региональных в республиканских конференциях в Москве, Севастополе, Кацивели (Крыы).

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы н ее связь с государственными координационными планами, дается характеристика выбраниых направлений и методов исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены автономные сельскохозяйственный потребители в структура их энергопотребления. Вопросам создания автономных источников электроснабжения и использования возобновляемых источников энергии посвящены работы Еудзко H.A., Бородина П.ff., Виссарионова B.u., Васильева D.C., Демгша A.B., Евдокимова В.Ы., Мартъненко И.И., Лятхера В,И., Иванова И.И., Панова A.l.., Потаенно К.Д., Рябикова C.B., Севернева U.U., СтреСко-ва Д.С., Тзше Н.Б., Усаковского В.Ы. и других ученых. Проанализированы тенденции развития систем преобразования анергия течений рек, каналов и водотоков. Особое вникание уделено установкам, преобразующим кинетическую энергии течения воды в электрическую. Анализ способов и технических средств преобразования анергии водотоков показал, что для влектроснабженкя маломощных (до нескольких кВт) удаленных от сетей централизованного электроснабжения потребителей, во многих случаях являвшихся нестационарными , целесообразно применение свободнопоточньк микроГЗС, с"ладацщих малыми удельной массой и приведенными затратами на единицу вырабатываемой электроэнергии.

Сформулированы требования, предъявляет» к мккроГЭС для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. Дана классификация установок, преобразующих энергию текущей воды в безнапорном режиме по типам применяемых в них гидродвигателей. Рассмотрены теоретически«? основы преобразования кинетической энергия течения рех. Даны рекомендации по использованию различных типов

Гидрот> 5ин в зависимости от условий их работы, Анализ конструктивных решений свободнопоточных ыикроГЭС показал, что почти все они являются опытными установками, изготовленными в одном - двух экземплярах (за исключением гирляндных ГЭС), почти не роалнзовы-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 микроПЭС.

Вторая глава посвящена разработке д теоретическим исследованиям СПМГЭС.

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

При проектировании свободнопоточной микроГЭС вагиыми показателями являются скорость потока, его глубина и ширина; для основных районов предполагаемого использования свободнопоточных мнкроГЭС были собраны данные по этим параметрам, приведенные в гидрологических ежегодниках Гидроиетеоцентра СССР. Создана база данных (БД) по рекам бассейнов Волги, Каиы, 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 увеличиваются Солее чем в 2 раза, максимум скоростей наблюдается в апреле для бассейнов Волги, Камы, Урала (центр России), в мае -для бассейнов Иртыша и Енисея, в ноне - 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 уменьшаются после окончания половодья, достигают локального минимума примерно а августе, затем онова возрастает 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 бинокпальная ассямет-ричная кривая распределения:

I "М, лж

у : ]у0е (1«/Ь) й

о

где > - ордгс зта кривой обеспеченности;

/о - наибольшая, или модальная, ордината;

а - расстояние от модальной ординаты до центральной (раднуо асимметрии);

Ь - расстояние от модальной орднъаты до левого конца кривой.

Даны рекомендации по выбору расчетной скорости течения при проектировании свободнопоточных иикроГЭС, которые зависят от назначения, района установки и режима использования юткроГЭС. При работе СИГЭС в горных районах (Северный Кавказ, Алтай, Дальний Восток) на реках с большим уклоном русла расчетная скорость свободнопоточной микробе 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 СЫГЭС в равнинных районах целесообразна сезонная работа, т.к. большинство рек замерзает энной. Расчетная скорость течения свободнопоточной никроГЗС - от 1 до 1,5 м/с с сохранением работоспособности при скоростях от 0,5 до 2,5 м/с.

обоснована структура СПЫГЭС. Исходя из выбранного физического принципа действия, структура СШГЗС должна содержать следусодао элементы: 1) преобразователь гидравлической энергии течения воды в механическую - гидротурбину; 2) преобразователь механической энергии в электрическую - влектрогенератор; 3) преобразователь юхянических угловых . скоростей и моментов - мультипликатор; 4) регулятор и стабилизатор выходного параметра (напряжения генератора) - регулятор напряжения; 5) потребитель олехтрической энергии.

Гидротурбина свободнопоточной мккроГЭС долкна отвечать еле-

V. т/с

Рис. 1. Энпирические кривые обеспеченности скорости течения для всех рек базы данных в различные сезоны года I - весной; 2 - летом; 3 - осень»; 4 - энной; 5 - среднегодовая

2500 -л иии

2000 -

1500-;

1000-

500-

1 ог

I I I I I I I I м ' ' 0.0 1.0

2.0

I | I I » ] I I I I I I 1 I I I | I I I ■ < I I О

3.0 4.0 5.0

ква

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

дующим требованиям: иметь большую быстроходность, обладать выселим КПД, иметь малую массу, бьггь простой и надежной в энсН-луатации. Анализ энергетических и эксплуатационных показателей турбин показал, • что наилучшими характеристиками обладают гидротурбины с лопастями аэродинамического профиля и ортогональной потоку осью вращения, имеющие наименьшую массу, высокие быстроходность и КПД. Этот тип гидротурбин был выбран для использования в СПНГЭС.

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, масса 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" н "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 жала свободнопоточных гидротурбин при скорости течения до 3 м/с в ; -чшеи случае могут , достигать величины 500 - 600 об/шш, непосредственное соединение валов гидротурбины и электрогенератора нецелесообразно, так как приводит ж значительному увеличению массы установки и снижению КПД.

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

Проведена оптимизация основных конструктивных параметров я 1аЯочшс рокпмоь спмгэс по критериям минимума массы и максимума и-дэабатызаемой мощности, оптимизация проводилась о использованием [естпых и мультипликативных критериев. Задача оптимизация форму-гаровалась в следующих видах!

() при оптимизации по частным критериям: а) Р « P(Dr, Z, Lt) —> max б) М » M(Dr , Z) —> min при ограничениях при ограничениях

1Ь«1> S D, i Dt«.,; Dt.i. S Dt S Dt.«»;

Zh S Z 5 Zo ; Lt 3 Lt»«x; Z. 5 Z S Zo , Lt 2» Lt».«;

M S H»., 1 V » V,., . P * P,,, ; V - V... . ,

2) при оптимизации по мультипликативному критерию:

3) F = F(Dt. Z, Lt) —> min (F * k-M'/Pb) при ограшгчаппях Dt.i» S Dt S 0т»«ж; Z« i Z S Zo i Lt S Lr-аж; M S M... j P » P.i.; V * V.,,. где P, M, Dt, Z, Lr, V - ссоттештм иодаость, масса, диаметр, быстроходность и общая дяяиа гяяротурбгга в скорость течения воды.

разработана методика оггсодаяетгл есиовмыя мжструктявкш: я э«аргетичзских параметров (К, О, , Z, Lt , Р, когекчвства счкщгл турбины Кс.«) СПМГЭС с ортогокалысц1!;« гндрo-ryp5ш::мк- pwotoro типа и клиноременмьм или зубчатым мультипликатором.

для решения задачи оптимизации смсвшгспетоадюй (вгкрвГЗС приценялся нодяф*щяровапный ив год Жукя-Хштс®. Для р®а®«засрш алгоритма поиска оптимальных параметров СГЕНГЗС СГмяа разработала программа, реализующая процедуру оптдажзйшск в диалоговом р<жш». Разработанные методика, алгоритм решений в его програмшмм реализация позволяет решать задачу олтяикэацйк крк рааетчныг входных параметрах, ограничениях, значениях квзффгадамггвв я используемых в СПИГЭС материалах. Программа может быть ссггольао-вана пря проектировании свободнопоточной микроГЭС различной мощности при любой расчетной скорости течения.

проведена оптимизация начеияй диаметра DT, длины Lr, количества секций Кс.< и быстроходности Z в рабочей точке гидротурбины свободнопоточной микроГЭС мощностью до 120 Вт. Пря решении задач оптимизация были приняты следующие ограничения: M».i * = 20 кг; Lt..» = 2 м; Dt.i» = 0,2 М; Г>т.»* = 1 И; P.t, = 20 Вт.

Скорость течения V изменялась в пределах 0,5 - 2,5 м/с. Результаты оптимизации при минимизации критерия М/Р (рас. 3) были использованы при разработке переносной микроГЭС СШГЭС-0,12.

Для исследования динамических процессов при работе СШГЭС ц режимов запуска микроГЭС была разработана №4 СШГЗС-0,12 и составлена эквивалентная схема замещения о использованием метода пряной аналогии (рис. 4). При моделирования было выделено 2 - механическая вращательная и электрическая.

Моделирование з лдротурбины состояло в нахождении ваваонмости момента на валу гидротурбины от угловой скорости и угла поворота лопастей. Лопасти работает в условиях нестационарного режима обтекания, вызванного непрерывным изменением азимутального угла 9 и связанного с ним угла атаки , Это обуславливает достаточно сложный характер изменения момента гидротурбины. Даве при постоянной скорости течения V момент турбины претерпевает периодические колебания с периодом 2 7771«, способные при определенных условиях * вызвать пульсации основных рехшшшэ параметров евободнопоточной микроГЭС. Для крутящего момента одко^ лолястн было получено;.

jB: Ct5 рв V2 ba кт Cq(eTJ K2(Zi Z Cos(eT)iZE}

Для вычисления крутящего момента гидротурбины необходимо просуммировать моменты отдельных лопастей

i,

т - г Т • > * J я]

Л

4 2 2 Е tCqíeT)J СО50Т)^ ♦ Z¿ E Сясет)^1 T^p : Í(V, 0T; dtydtj : f|Y, 07, láT)

V, я/с

— Р -+-м -*-Мт -в-Ммп

р - мощность; н масса никроГЭС; Мт - масса турбины Ммп - насса мультипликатор?

V, Л1/С О -А-ь -*-Ксэк

б) Вт - диаметр турбины; ь - длина турбины; Ксек - количество сеюшй турбины рис. з. Оптимальные параметры СПНГХ при критерии нинииума й/Р и использовании клинорененного нуяьтипликатора

где S> = Ь. • L« ■ i* - общая площадь лопастей гидротурбиныj k(Z) - коэффициент, учитывающий зависимость характеристики крутящего момента от быстроходности;

Сч(От) - коэффициент тянущей силы лопасти; Or - 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 емкосты> CJT, равной сумм« моментов инерции лопастей и траверс гидротурбины в ведущего впидоа мультипликатора. Потери в подшипниках турбины и мультипликатора учитывались соответственно проводимостями GT в GMP. Мультипликатор моделировался взаимозависимыми источниками тока IMP а напряжения VMP. Потери в ремне мультипликатора я скольсзетш-учитывались введением нелинейного сопротивления ЮТ, величина которого зависит от протекающего через него тока, ннерцпя масс иа валу электрогенератора - емкостью CJROT, равной сумме моментов инерции ведомого шкива мультипликатора, трансмиссии н роторе генератора, крутильные гибкости валов турбины и генератора -индуктнвностяш! LVT и LVG. Потерн в подшипниках генератора £ мультипликатора учитывались введением проводимости СКОТ. Электромагнитный момент на валу генератора, моделировался оааксшод источников тока ITG, величина которого зависит от влектркческо! нагрузки и частоты вращения вала электрогенератора.

проведено моделирование по схеме рис. 4 на ЭШ с искояьэова' нием пакета прикладных программ для анализа полекэйкыж эдактроН' пых схем. Моделирование механической системы и ГУ праводшюс] раздельно вследствие большой разницы постоянных вренашг подеис тем. определены условия самозапуска микрогзс к вргкя протекала переходных процессов при различных скоростях течения п нагружен иости микрогзс (рис. 5). Для саыоэапускз турбины СПКГЗС код наг рузкоа необходима установка дополнительных турбин aimmaoro типа Результаты исследований разработаяиой «одели СШГЗС непользова ли'иь при отработке конструкции свободнопоточной «якроГЭС номина льной мощностью 120Вт. Экспериментальное исследование СШ1ГЭС-0,1 показало хорошее соответствие модели реальной установке.

Рис. 1, Полная схема занеиения свободнопоточной никрогх

Рис. 5. Результаты моделирования запуска и переходных процессов в смгэс-о, 12 при колебаниях скорости потока при сопротивлении нагрузки 3 Он и средней скорости течения 1 м/с УСЛ - угловая скорость вращения гидг отурбины; Ш - напряжение на выходе микроГХ; 1Ш - приведенный крутящий ноиент на валу ГУ

Третья глава содсрацгг описание экспериментального образе ( дигэс-о, 12, методик проведения испытаний и измерения параметро ГУ и микроГЭС, результаты лабораторных исследований ГУ п испьгга ний слшгэс-0,12 в натурных условиях,

Исслечованкя генераторных установок проводились с цель определения их основных энергетических характеристик в рекии переменкой скорости вращения вала и мощности гидротурбины, испь талия проводились на испытательном стенде КИ-968-ГОСНИТИ УХЛЧ.

Установлена эффективная и устойчивая работа электрогеиератс ров в диапазоне скоростей вращения от 300 до 2000 об/мин для I мощность» 300 Вт и от 420 до 3000 об/мин для ГУ мощностью 120 Вт На основании проведенных теоретических исследований бь спроектирован и изготовлен образец переносной свободнопоточнс микроГЭС мощностью 120 В г при расчетной скорости течения boj V = 1,5 и/с. В качестве гидродвигателя применены ортогональш турбины с лопастями профиля ЛАСА 0018 и горизонтальной oci вращэния. Геометрические размеры элементов турбины рассчитывали! с учетом результатов, полученных при оптимизации мшсроГЗ! Площадь сечення турбины 0,81 м, диаметр 0,45 м, длина лопасти секции 0,45 м. Секции гидротурбины установлены на общем вал изготовленном из алюминиевой трубки диаметром 30 мм. Турби состоит ..з 4-х секций, причем лопасти каждой секции смете относительно лопастей других секций на 45" для обеспечен равномерности вращения. Наружные секции закреплены консольно могут сниматься, что обесп». чнвает возмокность уменьшения мощное турбины. На средние 2 секции гидротурбины дополнитель установлены роторы Савониуса, которые обеспечивают самозапу иикроГЭС под нагрузкой. Диаметр ротора Савониуса в 3 раза мень диаметра ортогональной турбины. Вращающий момент, возникаю« при воздействии на гидротурбину потока воды, передается на s электрогенератора механической передачей о передаточ> отношением i„n = 6. Масса свободнопоточной микроГЭС 24 кг. net гидротурбиной установлены штыри из алюминиевой проволо] ьаклоненные сверху вниз. Водоросли и другие плывущие на мнкро] предметы, попадают на эти штыри, скользят по ним вниз проплываю, под турбиной, не мешая ее работе. Штыри выполн: так:ьо sa-литиую функцию, г зтрудняя случайное попадание плана» j:ч<а.0й в область работы турбины.

НикроГЭС испытана в натурных условиях на реке Пехорка, (осковская область, при скоростях течения 0,9 и 1,05 м/с. (икроГЭС надежно самозапускалась при погружении в поток, общий ШД шшроГЭС около 13 X. Результаты испытаний СПИГЭС-0,12 приведены на рис. 6.

Испытания доказали работоспособность и хорошие эксшгуата-даонные показатели свободнопоточной никроГЭС при электроснабжении галомощной нагрузки постоянного тока при скоростях потока воды 5олее 0,8 м/с. Мощности никроГЗС при скорости потока 1 м/с гостаточно для питания разл1гчной радиоэлектронной и бытовой шпаратуры (напр. радиоприемник, телевизор, радиостанция, магнитофон, электробритва и т.п.).

Четвертая глава содержит анализ техншсо-экономических локауте лей свободнопоточной иткроГЭС, исследование влияния мощности шкроГЭС и скорости течения потока в месте установки мккроГЭС на юкаэатели эффективности, сравнение электроснабжения маломощных ютребителей электрознергии при применении свободнопоточной шкроГЭС и других источников возобновляемой энергии. Результаты ;равнительного анализа стоимости получаемой электроэнергии в тровых ценая для различных энергоисточнико» приведены на рис. 7. 'заработана номограмма для выбора наиболее эффективного BIT» в ювисимости от располагаемого ресурса возобновляемой энергии и •ребуемой мощности.

Установлена экономическая целесообразность использования ЛШГЭС в водотоках со средней скоростью течения более 1 м/с. При ■том годовой экономический эффект при мощности СПИ ГЭС 120 Вт и сравнении с электроснабжением от Сенэоэлектростапщщ составляет: гри скорости течения 1 м/с - 13860 руб., при скорости течения ,5 м/с - 18810 руб.(в денах на начало 1992 г.).

ВЫВОДЫ

1 . 'Одним вэ путей использования низкопотенциалыюй энергии •алых рек и водотоков является создание сгободнопоточньк гидро-пергетических установок мощностью до 1-3 кВт, преобразующих пнетцческую энергию течения воды в реках со скоростью течения i,8 и/с и более.

70 60 50 40 30 20 10 0!

Р, Вг

ш, с

и, к

; \ Iм ! ! 1 ' ! 1 1"—

1 1 I г

г ,, ■ с----

*

1 1 р -у

/ 1 П.. п1 п ГИ <сг С. 1 З-в-вт-в«-« 1-1 ■0- 1 1 —

0.7 0.6' 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0.5 1 1.5 2 2.5 3 — щ -ь- Р -*- И

3.5 4 4.5 б И. А

РГ

а) иа, р - выходные напряжение и мощность микроГЭС; Н. Р£ - ток и ношнлсть обмотки возбуждения

1200 юоо

п, о£>/мин

1 1 'Ч ! „

о Ж »--

\ ! Т

\ 1 1 1

т / -К—X- -

Л" ¡Г^-йг —

п, Я X

1— 1в

14

12 10

0.5 1 1.6 2-" 2.5 3 3.5 4 4.5 5 И. А

б) пт, пг - скорости вращения валов турбины и генератора; г - быстроходность турбины; г> - обшии кпд микрогэс

рис, б. Гезультаты натурных испытаний спнгэс-о. ¡г с комбинированными турбингии при скорости течения 1,05 н/с

$/«Вт к

Рис. 7. Приведенные затраты па производство электроэнергии

различными энергоисточникани 1', Г - дизель- и беазоэлектростанпияни при дене топлива

соответственно 1,5 и 0,25 $/л 2\ 2". - ветроэлектростаншшш при среднегодовой скорости

ветра 4 и о и/с 3', 3" - Фотоэлектрическими стапщшни при суточном приходе

солнечой радиации 4 и б кВт(Ч/м%. '!', 'Г - свободнопоточшш никрогх при скорости потока воды о,ö и 2 и/с

5 - напорными никрогх

6 , - от сетей централизованного электроснабжения при

расстоянии до потребителя So км

2. Создана Саза данных, содержащая сведения по основным характеристикам малых рек в районах предполагаемого использования сьободпопоточных микроГЭС. Проведен статистический анализ для скоростей течения рек с целью определения диапазона расчетных скоростей потока для проектирования свободнопоточной мккроГЭС.

3. Разработан метод оптимального параметрического синтеза свободнопоточной микроГЭС с учетом расчетных скорости течения и мощноет i микроГЭС и получены зависимости, устанавливающие оптимальные связи между диаметром Dr, быстроходностью Z и количеством секций Кс о к гидротурбины и ресурсами кинетической энергии води, обеспечивающие минимум массы микроГЭС и максимум вырабатываемой электроэнергии. При расчетной скорости течения 1-1,5 м/с с мощность микроГЭС 120 Вт оптимальные значения Dt - 0,4-0,5 м, Z - 3, Кс«* - 4.

4. Выполнен анализ рационального совмещения рабочих характеристик гидротурбин и электрогенератора комбинированного возбуждения . Обоснована структура СПМГЗС. Найдены оптимальные скоросп вращения вала электрогенератора в зависимости от его мощности i скорости вращения гидротурбины. Целесообразно применение мультипликатора при скорости вращения вала гидротурбины мене« 1200 об/мин.

5. Разработана МИ и схема замещения СПМГЭС-0,12. С помоиы моделирования на ЭВМ исследованы динамические процессы i свободнопоточной микроГЭС при запуске и работе на нагрузк: постоянного тока, на основе анализа переходных процессов i системе даны рекомендации по выбору параметров свободнопоточно] микроГЭС и рассчитана комбинированная гидротурбина, состоящая к ортогональной турб*»ны и расположенным соосно ротором Савониуса служащим для обеспечения надежного самоэапуска микроГЭС по, нагрузкой.

6. разработана методология построения свободкопогочны микроГЭС мощностью до 300 Вт, преобразующих анергию водотоков с скоростью потока от 1 до 3 м/с.

7. Изготовлены опытные образцы микроГЭС СПМГЭС-0,12 н заиоде НПО "Энергия" (г. Калининград, Московская обл.). мощность 120 Вт при скорости течения 1,5 м/с и подтверждена ее аффективна pacora при преобразовании низкопотенциального диапазона кинети ческой оперши малых рек и водотоков со скоростью более 0,а м/с

Намечено изготовление опытной партии СПМГЭС-О,12 и СМГЭС-0,3. Установка С1ШГЭС-0,12 прошла межведомственные испытания и рекомендована к серийному производству.

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

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. A.c. 1737148 (СССР), МКИ F 03 В 13/00. Свободнопоточная гидроэнергетическая установка /Каргнев в.И., Муругов В.П., Путьков С .А.. / /Бсллетень изобретений, N"20, 1992.

2. Муругов В.П., Каргиев В.Ы. Эффективное использование фотоэлектрических станций для электроснабжения потребителей :ельского хозяйства. //НТВ ВНЗСХ. 1989. Был. 2(65), с. 63-70.

3. Муругов В.П., Каргиев В.М. Использование возобновляемых источников энерпш для электрификации автономных потребителей в 5ельском хозяйстве. . //Сборник научных трудов виэсх, т. 74. tf.s

1990, с. 133-141.

4. Муругов В.П., Каргиев В.14. Разработка переносных микроГЭС Uta электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. //Тез. ;окл. Всесоюз. науч.-техн. семин. "Нетрадиционные электротехно-ioiии в сельскохозяйственном производстве и быту села". Кацивелн,

1991. М.: 1991, с. 51-52.

5. Каргиев В.М. Разработка и испытание свободнопоточных iepeiiocubcc микроГЭС. //Электрификация и теплофикация сельско-соэяйственного производства. Паучно-технический информационный ;борник. Вып. 6, 1991, с 9-11.

6. Муругою В.П., Каргиев В.Ы. Оптимальный параметрический :внтез свободнопоточных микроГЭС //Техника в сельском хозяйстве, I993, N* 3.

7. Муругов В.П., Каргнев В.Н., Сокольский А.К., Зайцев ~.И 1ереносная шпсроГЭС //Сельский механизатор, 1993, N'3. .