XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Мини ГЭС для плотины в Сосновой роще г.Йошкар-Олы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Мини-ГЭС, или малые гидроэлектростанции – это гидроэлектростанции, которые вырабатывают относительно малое количество энергии. Его достаточно для снабжения частного дома, дачного или иного участка, расположенного недалеко от реки.
Целью моего проекта является определение потенциала выработки электроэнергии на плотине в Сосновой роще в городе Йошкар-Ола.
Задачи проекта:
-
Рассмотреть конструкции мини-ГЭС и выбрать подходящую по параметрам мини-ГЭС для Сосновой рощи.
-
Рассчитать количество электроэнергии вырабатываемой выбранной мини-ГЭС.
-
Рассчитать срок окупаемости конструкции мини-ГЭС применяемой в Сосновой роще.
В связи с ежегодным ростом тарифов на электроэнергию и невозможностью полноценного снабжения электроэнергией некоторых населенных пунктов при наличии рек или даже ручья, можно соорудить малые ГЭС для своих личных нужд. Поэтому актуальность моей работы очевидна как для домашних подсобных хозяйств, так и для индивидуальных предприятий.
2. Что такое мини-ГЭС
Микро-гидроэлектростанция предназначена для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в электрическую для дальнейшей передачи сгенерированной электроэнергии в энергосистему. Под термином микро подразумевается, что данная гидроэлектростанция устанавливается на малых водных объектах – небольших речках или даже ручьях, технологических протоках или перепадах высот систем водоподготовки, а мощность гидроагрегата не превышает 10 кВт.
МГЭС разделяют на два класса: это микро-гидроэлектростанции (до 200 кВт) и мини-гидроэлектростанции (до 3000 кВт). Первые применяются в основном в домохозяйствах, и на небольших предприятиях, вторые – на более крупных объектах. Для владельца загородного дома или небольшого бизнеса, очевидно больший интерес представляют первые.
2.1. Классификация мини-ГЭС
Мини-ГЭС можно классифицировать по нескольким параметрам.
По способу передачи энергии они бывают:
⦁ Сетевые. В данном типе электроэнергия сразу генерируется в сеть.
⦁ Накопительные. Электроэнергия собирается в аккумуляторах в течение дня. Затем с помощью инвертора она преобразуется в требуемую мощность.
По типу водных потоков, на которых устанавливаются мини-гидростанции, можно выделить типы:
⦁ Русловые – устанавливаются в руслах рек с небольшим потоком.
⦁ Стационарные – устанавливаются на водоемах с быстрым потоком. Они вырабатывают больше энергии.
⦁ Установки в точках перепада уровня потока. Используются на естественных и искусственных порогах рек.
⦁ Мобильные установки – сооружаются на малых водоемах, например, ручьях.
По типу функционирования мини-ГЭС бывают:
А) В виде гирляндной установки
Конструкция состоит из цепи роторов, закрепленных на гибком стальном тросе, перетянутом поперек реки. Сам трос исполняет роль вращательного вала, один конец которого фиксируется на опорном подшипнике, а второй – активирует вал генератора.
Каждый гидроротор «гирлянды» способен вырабатывать около 2 кВт энергии, правда, скорость водного потока для этого должна быть не менее 2,5 метров в секунду, а глубина водоема не превышать 1,5 м.
Принцип действия гирляндной ГЭС прост: напор воды раскручивает гидровинты, а те вращают трос и заставляют генератор вырабатывать энергию
Гирляндные станции с успехом использовались еще в середине прошлого века, но роль винтов тогда играли самодельные пропеллеры и даже консервные банки. Сегодня же производители предлагают несколько видов роторов для различных условий эксплуатации.
Они комплектуются лопастями разного размера, изготовленными из листового металла, и позволяют получить максимальный КПД от работы станции.
Но хотя в изготовлении этот гидрогенератор достаточно прост, его эксплуатация предполагает ряд специальных условий, не всегда осуществимых в реальной жизни. Такие сооружения перегораживают русло реки, и вряд ли соседи по берегу, не говоря уже о представителях экологических служб, разрешат использовать энергию потока для ваших целей.
Кроме того, в зимний период установку использовать можно только на незамерзающих водоемах, а в условиях сурового климата – консервировать или демонтировать. Поэтому гирляндные станции возводятся временно и преимущественно в безлюдной местности (например, около летних пастбищ).
Современный аналог гирляндной установки – погружные или наплывные рамные станции с поперечными роторами. В отличие от своей гирляндной предшественницы, эти конструкции не перегораживают всю реку, а задействуют только часть русла, причем установить их можно на понтоне/плоте или вовсе опустить на дно водоема.
Б) По принципу «водяного колеса»
Самый простой тип водного генератора. Колесо может устанавливать вертикально в плоскости перпендикулярной поверхности воды или горизонтально, когда колесо погружается в воду на 2/3 толщины диска.
В зависимости от русла водоема и глубины можно установить 3 вида водного колеса:
⦁ Подливные (нижнебойные) – вращается за счет скорости потока. Подходят для быстрых, но мелководных рек.
⦁ Среднебойные – устанавливаются так, чтобы поток попадал на середину вращающегося колеса. Подходит для рек с несколькими разными уровнями русла.
⦁ Наливные (верхнебойные) – вращаются за счет напора воды, попадающей на верхние лопасти. Установка должна располагаться под плотинами трубами или естественными порогами так, чтобы вода падали на лопасти сверху.
Колесо соединяется с генератором и приводит его в движение для выработки энергии.
В) С ротором Дарье
Ротор Дарье – устройство турбины, которое получило название в честь своего изобретателя в 1931 г. Система состоит из нескольких аэродинамических лопастей, зафиксированных на радиальных балках, и работает за счет перепада давления по принципу «подъемного крыла», который широко задействован в кораблестроительстве и авиации.
Хотя такие установки больше используются для создания ветрогенераторов, они могут работать и с водой. Но в этом случае нужны точные расчеты, чтобы подобрать толщину и ширину лопастей в соответствии с силой водного потока.
Ротор Дарье напоминает «ветряк», только установленный под водой, причем работать он может вне зависимости от сезонных колебаний скорости потока
Для создания локальных гидростанций вертикальные роторы используется редко. Несмотря на неплохие показатели КПД и кажущуюся простоту конструкции, оборудование достаточно сложное в эксплуатации.
Перед началом работы систему нужно «раскрутить», зато и остановить запущенную станцию сможет только замерзание водоема. Поэтому используется ротор Дарье преимущественно на промышленных предприятиях.
Г) С пропеллером
Подводный винтовой пропеллер является гидроаналогом воздушного генератора, его лопасти полностью погружены в воду.
Для того чтобы получить максимальную скорость вращения при минимальном сопротивлении, размеры лопастей должны соответствовать силе движения водного потока. Например, при скорости движения воды 2 м/с ширина лопасти должна быть 2-3 см.
Подводный пропеллер устанавливается навстречу потоку. Принцип работы состоит не в давлении воды, а за счет образования подъемной силы, например, как у винта корабля.
Винтовой пропеллер подходит только для глубоких рек с быстрым течением. На неглубоких водоемах подводная установка может нанести вред купающимся людям, рыбакам, водоплавающим животным и птицам.
По конструкции гидротурбины мини-ГЭС могут быть:
⦁ Осевыми, в которых вода движется вдоль турбинной оси и падает на приходящие в движение лопасти;
⦁ Радиально-осевыми, в которых вода сначала движется радиально по отношению к турбине, а затем вдоль оси;
⦁ Ковшовыми – в них вода поступает на лопасти через сопла, что увеличивает скорость движения. При ударе воды об лопасть турбина вращается, в процесс вовлекается следующая лопасть и так остальные.
⦁ Поворотно-лопастными, лопасти которых поворачиваются одновременно с турбинным вращением.
2.2. Составные части мини-ГЭС
Мини ГЭС состоит из следующих частей:
⦁ Турбина с лопастями, которая соединяется с валом генератора. Для них используют 3 основных вида ротора – колесо, гирлянда и пропеллер.
⦁ Генератор, создающий переменный ток. Ввиду того, что вырабатываемый ток является нестабильным, то в установку мини-ГЭС вводятся дополнительные компоненты.
⦁ Блок управления турбиной, позволяющий запускать и останавливать ее, в том числе в аварийном режиме. С его помощью можно контролировать режим работы мини-гидростанции.
⦁ Блок балластной нагрузки для рассеивания энергии, которая на данный момент не используется. Установка позволяет предупредить выход генератора из строя.
⦁ Стабилизатор или контролер заряда для преобразования напряжения и управления зарядом аккумуляторов.
⦁ Аккумуляторы, накапливающие заряд;
⦁ Инверторные системы для преобразования напряжения.
2.3. Принцип действия
Основа работы мини-ГЭС такая же, как у гидроэлектростанций: преобразование энергию движения воды в электрическую. Отличие состоит только в разной мощности установок и количестве получаемой энергии.
Поток воды может создаваться естественным течением или с помощью воздвижения сооружений, например, небольшой плотины. Искусственный перепад воды усиливает напор за счет силы тяжести. Иногда используются оба способа вместе.
Вода попадает на лопасти турбины и передает им силу своего движения. Гидротурбина передает энергию вращения через редуктор или другую механическую установку на вал генератора. Вращение генератора производит электроэнергию. Если усиливается напор попадаемой воды, то ускоряется движение гидравлической турбины. Вследствие этого быстрее вращается гидрогенератор и увеличивается мощность энергии.
-
Мини-ГЭС для Сосновой рощи
Рассмотрев классификацию мини-ГЭС и посчитав требуемые параметры, можно определиться в выборе мини-ГЭС для Сосновой рощи. Лучшим вариантом для Сосновой рощи является мини-ГЭС радиального течения.
Мини-ГЭС радиального течения состоит из гидротурбины и электрического генератора, соединенных определенным образом. Основные элементы микро-гидротурбины: спиральный канал, рабочее колесо, главный вал, технологические приспособления крепления и соединения деталей и т.д. Высоконапорная жидкость, проходя через спиральный канал, вынуждает вращаться рабочее колесо турбины. Вал турбины механически соединен с валом генератора, который приводится во вращение и начинает вырабатываться электричество. Диаметр трубы, по которой будет идти вода равна 0,5 м. Номинальная мощность мини-ГЭС с турбиной от производителя Weswen 8кВт. Цена данной мини-ГЭС в районе 200000 рублей.
3.1. Расчет электроэнергии и срок окупаемости данной конструкции
По подсчетам энергия потока проходимая через трубу мини-ГЭС будет равна примерно 8,65 кВт. Если брать стоимость электроэнергии равной 4,51 руб/кВт*ч, то экономия денежных средств в год за счет конструкции составит 316 000 рублей. Следовательно срок окупаемости будет примерно 8 месяцев.
4. Заключение
Малая гидроэнергетика и установка мини-ГЭС имеет свои плюсы и минусы.
К преимуществам использования микро-энернетики относятся:
⦁ Достаточно недорогое оборудование, позволяющее экономить ресурсы электроэнергии. Не требуется возведение больших сооружений.
⦁ Работа вне зависимости от времени суток и погоды;
⦁ Не обязательно наличие большого водоема;
⦁ Излишек электричества можно перенаправить в другие места;
⦁ Почти бесшумная работа оборудования;
⦁ Экологичность – нет загрязняющих воду и атмосферу веществ. Флора и фауна водоемов не ощущает вредного воздействия, качество воды остается без изменений. Также нет необходимости перестраивать природный ландшафт местности.
Наряду с плюсами использования мини-ГЭС имеются некоторые минусы. Из недостатков микро-гидроэнергетики можно отметить необходимость достаточной силы течения. Недостаточная сила становится серьезной преградой для установки и эксплуатации оборудования. Для того, чтобы исправить положение, необходимо будет устанавливать дополнительное сооружение, чтобы ускорить поток воды.
Также некоторые типы мини-ГЭС, например, гирляндный, могут представлять опасность для человека.
Микро-гидроэлектростанция дает экономические и социальные преимущества, а вырабатываемая электроэнергия имеет низкую себестоимость.
5. Список использованных источников
1. Автономная мини-гидроэлектростанция (ГЭС) своими руками (sovet-ingenera.com)
2. Микро-гидроэлектростанции (МГЭС) | С 1996г. Разработка проекта, установка, интеграция (rina.pro)
3. Малая гидроэлектростанция — Википедия (wikipedia.org)