Микрогидроэлектростанция для малых рек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микрогидроэлектростанция для малых рек

Загрядцкий В.И., Кобяков Е.Т.

Россия, г. Орел, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

В статье рассмотрены некоторые вопросы освоения малых и самых малых рек для электроснабжения небольших потребителей.

Ключевые слова: энергия, генератор, турбина

In article some questions of development of the small and smallest rivers for an electrical supply of small consumers are considered.

Keywords:energy, generator, turbine

Микрогидроэлектростанции(МкГЭС) относятся к области малой гидроэнергетики. Они находят применение в качестве стационарных или мобильных автономных установок для получения электрической энергии в непосредственной близости от маломощных потребителей: мелких хозяйств, мастерских, коттеджей, дачных поселков и т.д. В настоящее время их разработке и применению уделяется большое внимание за рубежом и в меньшей степени в России. Однако недостаточно уделяется внимание МкГЭС для малых и самых малых рек с низкой скоростью течения воды..

По данным государственного гидрологического института в Россиинасчитывается более 2,5 миллионов рек, в том числе 146697 малых рек и 281287 самых малых рек длиной от 0,5 до 10 км. Несмотря на то, что малые и самые малые реки обладают значительным потенциалом возобновляемой энергии, использование ее сталкивается со значительными трудностями.

В таблице 1 приведены данные по глубине и скорости течения некоторых рек России.

Таблица 1

Из таблицы следует, чтоуказанные реки имеют небольшую глубину и малую скорость течения.

Приведенные данные относятся, в основном, к равнинным рекам. Небольшие полугорные реки имеют среднюю скорость течения 1 м/с, малые горные реки - 1,5 м/с. В период половодья скорости равнинных, полугорных и горных рек увеличиваются. Так средняя скорость равнинных рек возрастает до 1,5 м/с, а горных рек - до 5 м/с.

Трудности освоения энергетического потенциала вышеуказанных и подобных им водных источников связаны не только с низкими скоростями течения, но также со следующими негативными факторами:

- обмеление рек в засушливые годы;

- сезонные изменения стока;

- замерзание (вплоть до промерзания) рек зимой и т.п.

На ряде рек осуществляется малотоннажное судоходство.Указанные обстоятельства создают большие трудностив размещении МкГЭС в свободном потоке воды.

Рассмотрим в свете этих особенностей некоторые существующие или предлагаемые конструкции МкГЭС для малых и самых малых рек.

По пространственной ориентации МкГЭС бывают с вертикальной, горизонтальной и наклонной гидравлической турбиной.

МкГЭС с вертикальной гидравлической турбиной - это установленное в русле сооружение, состоящее из фундаментной плиты, боковых стен и перекрытия на котором установлены мультипликатор и электрический генератор. Генератор расположен над местом установки рабочего колеса турбины.

Другой вариант вертикальной МкГЭС приведен в . Генератор станции установлен на суше и приводится в движение турбиной посредством применения вертикального и горизонтального валов с использованием конической передачи.

Применение вертикальных МкГЭС для малых рек глубиной до 1… 2 м и особенно для самых малых рек с меньшей глубиной является проблематичным из-за их сравнительно больших аксиальных размеров, включающих длины турбины, мультипликатора (ременную или цепную передачи, валы и т.д.) и генератора.

МкГЭС с горизонтальной гидравлической турбиной делятся на две группы.

В первой группе ось турбины располагается по ходу течения реки. Установка содержит генератор, расположенный ниже уровня воды в герметичном корпусе, и мультипликатор, связывающий вал генератора с горизонтальной осью вращения турбины.

Вторая группа выполняется с турбиной, ось вращения которой располагается перпендикулярно или под углом по отношению к течению реки. В погружной свободно поточной МкГЭС горизонтальная ось вращения турбины направлена поперек течения. Вал турбины непосредственно соединен с валом герметизированного низкоскоростного электрогенератора. Все устройство закреплено на неподвижной раме, установленной на дне реки.

В предложена установка для использования энергии потока воды, установленная на заякоренном наплавном устройстве. Плоскодонный плавучий корпус содержит полости вдоль бортов, в которых на горизонтальных валах закреплены лопастные колеса, кинематически связанные с электрогенератором. Использование МкГЭС данной группы на малых реках может явиться помехой для малотоннажного судоходства.

Анализ известных и приведенных в статье конструкции бесплотинных свободно поточных МкГЭС для рек со средним течением до 0,15…0,2 м/с позволяет сформулировать следующие для них требования:

- МкГЭС должна быть выполнена моноблочной удлиненной формы с малым наружным диаметром, который диктуется небольшой глубиной малых и самой малых рек. Малый диаметр способствует снижению потерь вращающихся частей станции о воду.

- ось турбины и, следовательно, станции, должна располагаться вдоль, а не поперек течения реки, с целью устранения помех для судоходства.

- МкГЭС должна располагаться непосредственно в реке без использования наплавных средств: плотов, лодок, катамаранов.

- МкГЭС должна работать круглогодично (в случае отсутствия полного промерзания реки).

- во время половодья станция должна поддерживать приемлемый уровень частоты и напряжения.

- конструкция МкГЭС должна быть полностью электробезопасной.

Главное требование, которое при проектировании накладывается на турбину и генератор МкГЭС - обеспечение необходимой частоты вращения. Она должна быть как можно большей. С увеличением частоты вращения габариты турбины и генератора уменьшаются. Для увеличения частоты вращения рабочего колеса турбины следует стремиться к увеличению скорости потока жидкости, воздействующего на его лопасти. При выполнении генератора число пар полюсов целесообразно принимать возможно меньшим.

В показано, что при скорости течения реки 1,8…3,5 м/с тихоходный полупогруженный в реку герметичный генератор может быть выполнен на частоту вращения 93,75±2 мин-1. Генератор выполняется многополюсным, вал генератора соединяется с валом ортогональной турбины непосредственно.

Если скорость течения реки 0,15…0,5 м/с, то выполнить электрический генератор с непосредственным соединением с тихоходной турбиной не представляется возможным. Стремление использовать высокооборотные и более дешевые генераторы, по мнению авторов, можно путем примененияв конструкции станции мультипликатора с передаточным отношением 1:8…1:16 между тихоходной турбиной и генератором. В этом случае генератор может быть выполнен на частоты вращения 250…500 мин-1.

На взгляд авторов наиболее перспективной конструкцией МкГЭС является конструкция моноблочной погружной станции с горизонтальной осью вращения пропеллерной турбины, расположенной по течению реки. В этом случае генератор располагается под уровнем воды. Выполнение генератора герметичным или в герметичной оболочке с сухой обмоткой является не вполне обоснованным. Он должны иметь надежные уплотнения от проникновения речной воды внутрь машины. Со временем уплотнения нарушаются, и вода может попасть внутрь генератора. Полумокрые генераторы имеют сухую обмотку, а внутренняя полость генератора с обмоткой герметично изолируется с помощью вставленной в расточку статора тонкостенной гильзы. Применение гильзы, из-за наличия в ней потерь, ухудшает показатели генератора.

В Орловском Государственном университете - УНПК ведутся работы по созданию моноблочной свободно поточной МкГЭС для мелких рек с низкой скоростью течения. За основу взята горизонтальная конструктивная схема. В едином базовом корпусе агрегата размещены последовательно основные узлы МкГЭС : гидромеханический преобразователь, включающий подводящую камеру; многоканальный направляющий аппарат и рабочее колесо гидравлической турбины пропеллерного типа, как наиболее быстроходной; мультипликатор, представляющий собой эпициклический планетарный механизм, составленный из зубчатых колес и трехфазный синхронный генератор.

Передача вращения от рабочего колеса гидротурбины к ротору электрогенератора осуществляется через посредство мультипликатора, позволяющего достаточно просто увеличить частоту вращения ротора генератора до необходимого значения.

В МкГЭС применяется погружной водонаполненный синхронный генератор. Его основная конструктивная особенность - удлиненная форма при уменьшенном наружном диаметре, это диктуется малой глубиной водного источника.

Генератор выполняется обращенным цилиндрической конструкции. Обмотка якоря расположена в пазах неподвижного статора, а постоянные магниты - на внутренней поверхности вращающегося ротора.Для водонаполненного генератора необходима обмотка из специального провода, например ПВДП с двойной полиэтиленовой изоляцией.

Наличие механических примесей, загрязненность воды вызывает необходимость защиты его внутренней полости, поэтому она заполнена чистой водой. Генератор не боится попадания речной воды внутрь, т.к. плотность воды в реке и во внутренней полости генератора одинаковы и внешнее давление реки уравновешивается давлением воды внутри генератора. Так как МкГЭС может работать в воде с различными химическими примесями, возникает необходимость принятия мер по уменьшению или устранению коррозии.

Проточная речная вода омывает наружную поверхность корпуса генератора, интенсивно его охлаждая.

Предложенная конструкция МкГЭС позволяет применять ее в водных потоках с относительно небольшой скоростью течения воды. Она отличается простотой конструкции, компактностью, надежностью и долговечностью. На ее базе могут быть созданы электроэнергетические агрегаты широкого назначения и различных типоразмеров.

микрогидроэлектростанция потребитель автономный установка

Вывод

Необходима государственная программа по развитию малой гидроэнергетики, направленная на освоение энергетического потенциала низкоскоростных маловодных источников.

Список литературы

1. Пат.2171910 Российской Федерации, МПК7 С1 F03B13/00, F03B7/00 Гидроэлектростанция [Текст]/Толмачев В.Н., Боровиков С.Н., Савчук А.Д., Лесина. Заявитель: Военный инженерно-технический университет. Заявка: 21.02.2000. Опубликовано: 10.08.2001. - 5с.; ил.

2. Пат.2256092Российской Федерации, МПК7С2 F03B13/00, 17/06 Гидроагрегат для преобразования кинетической энергии потока воды в электрическую [Текст]/ Хузин Р.Р., Закиев Г.З., Шаяхметов Ш.К., Шаяхметов А.Ш. Заявитель: ОАО «Иделойл» Заявка: 16.09.2003. Опубликовано: 10.07.2005. Бюл. №19. - 7с., ил.

3. Пат. 2324068, Российской Федерации, МПК С2F03B17/06, F03B13/00 Автономная водопогруженная свободно поточная микрогидроэлектростанция Текс Улановский Я.Б., Карпов А.Б.. Кашфразиев Ю.Ф. Заявитель: Общество «Стройинжинеринг» Заявка:22.06.2006. Опубликовано: 10.05.2008 Бюл.№13 6с., ил.

4. Пат. 2247859 Российской Федерации, МПК7С1 F03B 13/00 Погружная свободно поточная микрогидроэлектростанция [Текст]/ /Головин М.П., Встовский А.П., Головина Л.Н. и др. Заявитель: Красноярский государственный технический университет. Заявка: 15.09.2003. Опубликовано: 10.03.2005. Бюл.№7. - 5с.; ил.

5. Пат. 1624198 SU А1F03B 17/06, Установка для использования энергии потока воды «Тунгуска» [Текст]/ Пикуль В.Н. 1987. Заявка: 28.09.88. Опубликовано: 30.01.91. - 2с.; ил.

Размещено на Allbest.ur