АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Полный текст

Возрастающие с каждым годом выработка и потребление энергии в мире создают необходимые условия для ускорения научно-технического про- гресса, который позволяет улучшать благосостоя- ние людей планеты. Но вместе с тем возрастающие объемы потребления энергии требуют все больших и больших объемов углеводородного сырья, запасы которого не безграничны. При населении России, составляющем 2,4 % от мировой численности насе- ления, наша страна обладает 12 % мировых запасов нефти, 35 % мировых запасов газа, 16 % мировых запасов угля и 14 % урана. Однако, несмотря на бо- гатство органических ресурсов, половина регионов России (в том числе Алтайский край и республика Алтай) испытывают дефицит энергии, а в некоторых районах ситуация критическая. Вместе с тем зоны децентрализованного энергос- набжения и не электрифицированные зоны составля- ют около 2/3 территорий России, на которых про- живает примерно 20 млн человек. Данная проблема актуальна и для энергетики Алтайского края и респу- блики Алтай. Многие потребители находятся в отда- лении от центральных электрических сетей, а именно: фермерские хозяйства, полевые станы, туристические комплексы, предприятия лесопромышленного ком- плекса и т.п. В горных районах активно развиваются рекреационные зоны, строятся новые туристические комплексы. При этом существующий дефицит гене- рирующих мощностей не позволяет удовлетворить их потребности в энергии. Большая часть потребителей на данных территориях получает электроэнергию от автономных энергетических систем [1]. Надежное электроснабжение децентрализован- ных регионов является актуальной задачей энергети- ки России, от успешного решения которой зависит не только ее социально-экономическое развитие, но и безопасность значительной части населения [2-4]. В настоящее время энергоснабжение автоном- ных потребителей обеспечивается, в основном, с по- мощью бензиновых и дизель-генераторов, эксплуа- тация которых сопряжена с большими затратами на периодический завоз топлива и техническое обслу- живание. Дополнительными негативными факто- рами использования таких установок являются вы- бросы продуктов сгорания в окружающую среду и шум. Серьезной экологической проблемой является загрязнение окружающей среды топливными кон- тейнерами [5]. Решить данные проблемы можно за счет вне- дрения автономных энергоустановок на основе во- зобновляемых источников энергии [6, 7]. Использование возобновляемых источников энергии является частью энергетической государ- ственной политики. В долгосрочных программах энергетической политики России (распоряжение Правительства РФ № 1234-р) предусмотрено, что к 2020 г. в России производство электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии должно составлять 4,5 % от общего производства в России, что соответствует вводу около 25 ГВт мощности. Для Алтайского края наиболее перспективным направлением использования возобновляемых ис- точников является освоение гидроэнергетического, солнечного, ветроэнергетического потенциалов и местных видов топлива. При этом освоение гидро- энергетического потенциала края за счет использо- вания автономных гидроэнергоустановок способно в значительной степени уменьшить дефицит электро- снабжения удаленных существующих энергосистем сельских районов, а также районов с одноцепными и радиальными физически изношенными линиями электропередачи. Коллектив авторов на протяжении многих лет успешно занимается созданием и внедрением авто- номных гидроэнергетических установок на терри- тории Алтайского края и республики Алтай с ис- пользованием опыта проектирования микро-ГЭС в других регионах [8, 9]. Для обеспечения надежно- сти, удобства и простоты эксплуатации автономные микро-ГЭС должны быть снабжены системами авто- матического управления. В Алтайском крае уставлены две автоматизи- рованные микро-ГЭС с водоналивными колесами по проектам, разработанным авторами: на Колыван- ском камнерезном заводе в селе Колывань Курьин- ского района и в поселке Новозыково Красногорско- го района. Современная гидроэнергетическая установка, представляющая собой микро-ГЭС с водоналивным колесом, была установлена в связи с юбилеем Колы- ванского камнерезного завода по заданию Админи- страции Алтайского края. Работы по реконструкции выполнены по проекту, разработанному учеными Алтайского государственного технического универси- тета. В лаборатории гидротехнических сооружений малых гидроузлов и микро-ГЭС была создана модель водоналивного колеса в масштабе 1:2. Оптимизирова- на форма лопаток, позволяющая получить наполне- ние около 50 % от максимально возможного объема (объема полукольца). С применением водоудержа- теля, расположенного в нижней четверти колеса и выполненного в виде радиально изогнутой стенки с зазором 10 мм от колеса, удалось увеличить наполне- ние до 60 %. Авторами был также создан полномас- штабный блок автоматического управления электри- ческой нагрузкой (БАУЭН-1), выполнены поверочные расчеты на статические и динамические нагрузки крепления за водосбросными сооружениями и про- ведены все необходимые испытания. В результате для электроснабжения и энерго- сбережения на заводе была установлена микро-ГЭС с водоналивным колесом диаметром 5,5 м, шириной 0,9 м и количеством лопаток 48. Основные техни- ческие характеристики установленной микро-ГЭС: мощность 15 кВт, расход 0,55 м3/с, напор 5,5 м, на- пряжение фазное 230 В, частота 50 Гц, общий КПД 60 %. В настоящее время микро-ГЭС эффективно ра- ботает в штатном режиме на заводе и вырабатывает электроэнергию для его нужд круглый год [10]. Другим объектом является автоматизирован- ная микро-ГЭС, установленная в поселке Новозыково Красногорского района. Микро-ГЭС состоит из водо- наливного колеса диаметром 3 м, шириной 0,88 м и количеством лопаток 12, системы автоматического управленияиблока автоматического управления элек- трической нагрузкой (БАУЭН-2). Основные техниче- ские характеристики установленной микро-ГЭС: мощ- ность 10 кВт, расход 0,55 м3/с, напор 3,5 м, напряжение фазное 230 В, частота 50 Гц, общий КПД 60 % [11]. В республике Алтай на притоке реки Саратан- ка в Международном детском туристическом лагере «Кох-Таман», находящемся в 15 км от села Саратан Улаганского района, была установлена микро-ГЭС с осевой гидротурбиной. Основные технические ха- рактеристики установленной микро-ГЭС: мощность 4,5 кВт, расход 0,1 м3/с, напор 10 м, напряжение фаз- ное 230 В, частота 50 Гц, общий КПД 50 % [12-14]. Средний срок окупаемости установленных автоматизированных микро-ГЭС составил два-три года, а стоимость строительства 1 кВт установленной мощности - около 60 тыс. руб. Высокие технико- экономические показатели микро-ГЭС достигнуты за счёт применения оригинальных конструкторских решений авторов, защищенных патентами РФ на изобретения и полезные модели [13-17]. В настоящее время авторами разработан про- ект микро-ГЭС с водоналивным колесом диаметром 2 м, шириной 1,35 м для электроснабжения посел- ка Аргут Кош-Агачского района республики Алтай. Водоналивное колесо было изготовлено ранее вла- дельцем микро-ГЭС (рис. 1). В связи с отсутствием водоудерживающего элемента и боковых стенок вода сразу же сливалась с лопаток, не задерживаясь на них, поэтому работала только верхняя четверть колеса, общий КПД очень низкий, всего 20 %. Для электроснабжения поселка Аргут Кош- Агачского района авторами была разработана на основе существующего водоналивного колеса и во- доподводящей системы микро-ГЭС. Разработанная схема микро-ГЭС представлена на рис. 2. Работа микро-ГЭС осуществляется следующим образом. Вода из реки подаётся по деревянному, об- лицованному профнастилом лотку 1 (шириной 1 м, высотой 0,5 м и длиной 50 м) сверху на водоналивное колесо 2. Максимальный расход воды 1 м3/с. Коле- со имеет 12 лопаток. Лопатки 3 закреплены между внешним и внутренним ободом колеса. Внешний обод изготовлен из изогнутой трубы, а внутренний представляет собой сплошной метал- лический барабан. Между лопатками и барабаном образуются карманы, в которые заливается вода. Под действием силы тяжести, воздействующей на лопатки, колесо поворачивается. На нём создается вращательный момент, который через спицы 4 (их 12 шт.) передается на вал водоналивного колеса 5. Вал закреплен на подшипниках в опорах 6 (их 2 шт.) Он соединен с редуктором 7 с помощью карданно- го вала 8. Редуктор 7 соединён с редуктором 9, по- следний соединен с асинхронным электродвигате- лем 10 (5,5 кВт, 1500 об/мин), который используется в качестве генератора. Генератор возбуждается и ре- гулируется разработанным авторами блоком авто- матического управления электрической нагрузкой (БАУЭН-2) (11). Использование асинхронных двига- телей экономичнее, чем синхронных. Избыточная мощность сбрасывается на трехфазный электроко- тел 12 (U = 220 В; N = 4,5 кВт, по 1,5 кВт на каждой фазе.). БАУЭН-2 имеет на наружной панели три вольтметра, три амперметра, частотомер и кнопку «пуск - стоп» полезной нагрузки, а на боковой па- нели - три трехфазные розетки для подключения генератора, полезной и балластной нагрузки в виде электрокотла. Кроме этого, на боковой панели для пусконаладочных работ установлено шесть однофаз- ных розеток (три - для контроля полезной нагрузки и три - для контроля балластной нагрузки). Отрабо- танная вода сливается в отводящий канал, далее об- ратно в реку, вниз по течению. Мощность микро-ГЭС по измеренным в натуре данным определяется по формуле, кВт: N = ηρgHQ, где η - КПД; ρ - плотность воды, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; H - высота от излива воды до уровня воды в отводящем канале, приблизитель- но равного диаметру колеса, м; Q - расход воды, м3/с N = 0,2*1000*9,81*2,5*1 = 4906 Вт = 4,9 кВт. Использование микро-ГЭС в поселке Аргут Кош-Агачского района республики Алтай полно- стью удовлетворило потребность поселка в электро- снабжении. Выводы. Как показывает практика, микро-ГЭС на диапазоны водотоков с напорами от 1 до 6 м и расходами от 0,1 до 3,0 м3/с на основе водоналивных колес и асинхронных электродвигателей, используе- мых в качестве генератора, с блоком автоматическо- го управления электрической нагрузкой, являются более эффективными техническими решениями, позволяющими успешно конкурировать с другими энергоустановками для электроснабжения и энер- госбережения автономных потребителей малой мощности. Применение микро-ГЭС с осевыми ги- дротурбинами в случае вышеуказанных диапазонов водотоков значительно дороже.

Об авторах

Владимир Михайлович ИВАНОВ

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Email: tgvv@mail.ru
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплотехники, гидравлики и водоснабжения, водоотведения 656099, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46

Татьяна Юрьевна ИВАНОВА

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Email: trodivilina@mail.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники, гидравлики и водоснабжения, водоотведения 656099, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46

Ирина Алексеевна БАХТИНА

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Email: bia-altai@mail.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники, гидравлики и водоснабжения, водоотведения 656099, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46

Павел Сергеевич ТРУТНЕВ

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Email: tgvv@mail.ru
аспирант кафедры теплотехники, гидравлики и водоснабжения, водоотведения 656099, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46

Список литературы

Дополнительные файлы