POWER SUPPLY AND ENERGY SAVING WITH RENEWABLES ENERGY SOURCES

Full Text

Развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) - одно из прогрессивных направлений в энергетике, которое приобретает особое значение в условиях стоящих в России задач модернизации экономики, повышения энергоэффективности и развития энергосберегающих технологий. Развитие данного направления является актуальным в свете ряда государственных документов и программ в области энергосбережения и энергоэффективности (закон РФ «Об энергосбережении», федеральная программа «Модернизация электроэнергетики России на период до 2020 года») [1-3]. В связи с тем, что энергосистема Алтайского края относится к числу остродефицитных, в крае разработана целевая программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Алтайском крае на 2011-2015 годы и на перспективу до 2020 года». Значительное место в краевой целевой программе по энергосбережению занимает внедрение энергоустановок с использованием возобновляемых источников энергии. Эффективными энергоустановками на основе возобновляемых источников энергии являются микро-ГЭС [4]. Поскольку Алтайский край обладает значительными гидроресурсами, в решении данной проблемы необходимо организовать обеспечение населения предгорных и горных районов края автономными микро-ГЭС. Микро-ГЭС могут сооружаться практически на любых водных объектах: на малых реках и ручьях, а также на водосбросных сооружениях, канализационных коллекторах и др. В настоящий момент имеются отдельные отечественные и зарубежные разработки микро-ГЭС мощностью от 4 до 50 кВт, недостатками которых являются их дороговизна и отсутствие широкого набора типоразмеров на различные мощности при различных располагаемых расходах и напорах водотоков. Дальнейшее освоение энергетических ресурсов отдалённых и труднодоступных районов требует дополнительного изучения, в том числе на основе физического моделирования [5]. В Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) в лаборатории комплексных исследований малых гидроузлов и микро-ГЭС разработаны микро-ГЭС с осевыми гидротурбинами (рис. 1 и 2). Оригинальные конструкторские решения защищены патентами [6-9]. Осевая гидротурбина содержит направляющий аппарат (сечение А-А), рабочее колесо, размещенное в камере 2 и установленное на валу 5, водоподводящую 6 и водоотводящую 7 части [6, 7]. Направляющий аппарат выполнен из соосно расположенных внешнего 8 и внутреннего 9 корпусов. Лопатки 1 направляющего аппарата выполнены изогнутой формы и развернуты по направлению вращения рабочего колеса (сечение Б-Б), равномерно закреплены одними концами на внутреннем корпусе, а другими - соединены с внешним корпусом с помощью резьбового соединения 10 с возможностью поворота. Криволинейной формы лопасти 3 рабочего колеса закреплены на его корпусе 4 посредством резьбового соединения 11 также с возможностью поворота. Камера рабочего колеса соединена одним торцом с водоотводящей частью, а другим - с внешним корпусом направляющего аппарата, который соединён с водоподводящей частью. Соединения герметичны и выполнены с помощью фланцев 12. Водоподводящая часть выполнена изогнутой формы из стальных трубных элементов и конфузоров, соединенных сваркой. Водоотводящая часть в виде диффузора, а также камера рабочего колеса и внешний корпус направляющего аппарата выполнены из стандартных трубных элементов, изготовленных на определённое давление, что гарантирует их прочность. К водоподводящей части приварен корпус с сальникововыми уплотнениями 18 для вала. Внутренний 9 корпус направляющего аппарата установлен на валу 5 посредством втулки 19. Корпус 4 рабочего колеса соединен с внутренним корпусом 9 направляющего аппарата, установленного на одном из концов вала 5. Последний расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса и размещен посредством подшипникового узла 13 на опорах 14, закрепленных в раме 15 из сварных металлических конструкций. Вал 5 соединён с валом 16 электрогенератора 17, в качестве которого может быть использован трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором общепромышленного использования. Электрогенератор подключен к блоку автоматического управления электрической нагрузкой (БАУЭН), что позволяет поддерживать электрические характеристики вырабатываемого напряжения в стандартных пределах. Поворачивать лопатки направляющего аппарата и лопасти рабочего колеса более чем на -20° нецелесообразно, так как это приводит к закрытию прохода для воды, и более чем на +20°, так как при этом возрастает расход воды, приводящий к резкому увеличению гидравлического сопротивления настолько, что возникает необходимость определения новых расчётных положений углов установки лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса для сохранения высокого КПД. Угол установки лопатки направляющего аппарата и угол установки лопасти рабочего колеса образованы осями, соответственно, лопатки и лопасти и горизонтальной осью вала. Расчетные положения углов установки лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса соответствуют оптимальному КПД при определенных напорах и расходах воды. Использование предлагаемых изобретений приводит к упрощению конструкции, расширению эксплуатационных возможностей осевой гидротурбины, снижению трудоемкости изготовления при сохранении высокого КПД осевой гидротурбины, а также способствует повышению надежности и удобству эксплуатации, не требуя присутствия высококвалифицированного персонала, и позволяет применять осевую гидротурбину для преобразования энергии малых потоков воды с небольшими расходами и напорами в электрическую энергию. На рис. 3 представлен внешний вид осевой гидротурбины с электрогенератором. Испытания моделей проточных частей и рабочих колес гидротурбин проведены на стенде, оснащенном контрольно-измерительной аппаратурой в лаборатории комплексных исследований малых гидроузлов и микро-ГЭС АлтГТУ [10]. Стенд предназначен для работы с напором до 13 м и расходом до 300 л/с. Параметры гидравлического стенда позволяют испытывать опытные образцы микро-ГЭС мощностью до 30 кВт, а большей мощности - их модели и отдельные элементы проточных частей микро-ГЭС. Модельная гидротурбина испытывалась на разных режимах, определяемых частотой вращения ее вала, величиной открытия лопаток направляющего аппарата и углом установки лопастей рабочего колеса. В качестве электрогенератора может использоваться трехфазный асинхронный двигатель, в качестве блока балластной нагрузки - электрокотел с ТЭНами. Балластный электрогенератор подключен электрическим кабелем к БАУЭН, который соединен с блоком балластной нагрузки. Во время работы в обмотках балластного электрогенератора возникают электромагнитные поля, создающие тормозящий момент на валу электрогенератора. Расчетные формулы и методы замера экспериментальных величин описаны в [10-12]. Расход воды Q, протекающей через гидротурбину, замеряется с помощью расходомерной диафрагмы и дифференциального манометра. Зная величину динамического напора hдин, можно найти расход Q (м3/с) по формуле , где g - ускорение свободного падения, м/с2; S - площадь проходного сечения, м2. В нашем случае статический напор турбины равен разнице показаний манометров до и после турбины, переведенных в м вод. ст.: ΔН = Н2 - Н1. Частота вращения вала модельной турбины замеряется либо тахометром, либо механическим или электрическим счетчиком оборотов. Лабораторные испытания моделей гидротурбин производятся при различных открытиях лопаток направляющего аппарата, которые измеряются или расстоянием в свету между двумя соседними лопатками направляющего аппарата, или выражаются в долях от максимального открытия, принимаемого за единицу. При каждом открытии регулирующего органа исследуют несколько режимов, соответствующих разным нагрузкам на валу турбины. При заданном открытии регулирующих органов и заданной нагрузке с помощью приборов определяют расход воды Q, протекающей через турбину, частоту вращения вала турбины n (об/мин) и рабочий напор Hст т, и вычисляют коэффициент полезного действия: , , где Nэ - электрическая мощность на валу турбины, кВт; U1, U2, U3 - напряжение электрического тока на фазе А, В, С соответственно, В; I1, I2, I3 - балластный электрический ток на фазе А, В, С соответственно, А; N gQH n = ρ - мощность потока, кВт. Замеряемые во время испытаний данные и результаты подсчетов для каждого открытия регулирующего органа представлены графиком на рис. 4. В результате проведения экспериментов с микро-ГЭС с осевой гидротурбиной новой конструкции на гидравлическом стенде можно сделать следующие выводы: 1. Разработанная конструкция осевой турбины сочетает в себе следующие преимущества: а) простоту конструкции пропеллерной турбины; б) возможность (как у поворотно-лопастной) настраивать лопатки турбины на необходимую мощность и имеющийся на натурном водотоке напор, расход и геодезические параметры русла реки. 2. Экспериментальная рабочая модель микро- ГЭС в ходе испытаний подтвердила все заявленные расчетные параметры в пределах точности экспериментов (5-10 %): мощность - 4 кВт, расход - 83 л/с, частота вращения вала - 3000 об/мин, напряжение - 200- 250 В, частота генерируемого электричества - 50 Гц. 3. Все полученные графики параметров имеют ярко выраженный максимум при наибольших расходах 70-80 л/с. 4. Первый эксперимент А проведен при мощности балласта Nбал = 5,25 кВт и емкости конденсаторов возбуждения С = 30 мФ. Во втором (Б) эксперименте мощность балласта была увеличена до Nбал = 6,15 кВт, что оказало влияние на напряжение генерируемого электричества (при тех же характеристиках потока напряжение ниже, чем в первом эксперименте). Изменение значения балластной нагрузки не оказало влияния на частоту генерируемого электричества (в экспериментах А и Б частота генерируемого электричества превышала 55 Гц при оптимальном напоре 10 м). 5. В экспериментах В и Г была увеличена емкость конденсаторов возбуждения до 35 и 40 мФ соответственно при той же мощности балласта (Nбал = 5,25 кВт). Результатом явилось уменьшение в рабочей точке (Q = 83 л/с; Н = 10 м) частоты генерируемого тока до значений 52 и 49 Гц для экспериментов В и Г соответственно. Таким образом, изменение ёмкости конденсаторов позволило приблизить частоту генерируемого электричества к «потребительской» 50 Гц. 6. Во всех проведенных опытах наблюдается работа микро-ГЭС в области максимального КПД при рабочих значениях (U = 220 В+/-10 %; f = 50 Гц +/-5 %) генерируемого электричества. С повышением характеристик наблюдается снижение КПД (спад кривой η=f(Q) на графиках). 7. В результате серии экспериментов были найдены оптимальные параметры для балластной нагрузки и емкости конденсаторов возбуждения, а также показано их влияние на характеристики генерируемого электричества. 8. Микро-ГЭС имеет небольшую стоимость, надёжна, проста в эксплуатации и имеет срок окупаемости два-три года. 9. Микро-ГЭС может эффективно использоваться для электроснабжения и энергосбережения автономных потребителей круглый год.

About the authors

Vladimir Mikhaylovich IVANOV

Altai State Technical University n.a. I.I. Polzunov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Irina Alekseevna BAKHTINA

Altai State Technical University n.a. I.I. Polzunov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Tatyana Yur'evna IVANOVA

Altai State Technical University n.a. I.I. Polzunov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Sergei Viktorovich ILINYKH

Altai State Technical University n.a. I.I. Polzunov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files