РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МИКРОГЭС ЭФФЕКТИВНО РАБОТАЮЩЕЙ В НИЗКОНАПОРНЫХ ВОДОТОКАХ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены теоретические исследования гидроэнергетической установки, эффективно работающей в низконапорных водотоках со скоростью потока воды от 1-4 м/с. При разботке математической модели водяного колеса была использована программа Matlab/Simulink. По результатам исследования было установлено, что для эффективной работы водяного колеса в низконапорных водотоках угла наклона лопасти на выходе из воды составляет . Также в ходе исследования были определены расход воды и коэффициент использования энергии потока воды равные  и  соответственно.

ABSTRACT

This article presents theoretical studies of a hydropower plant that effectively operates in low-pressure watercourses with a water flow rate of 1-4 m/s. When developing the mathematical model of the water wheel, the Matlab/Simulink program was used. According to the results of the study, it was found that for the efficient operation of the water wheel in low-pressure watercourses, the angle of inclination of the blade at the exit from the water is β=30°. Also, in the course of the study, the water flow and the energy utilization factor of the water flow were determined to be Q=0.75  and , respectively.

Ключевые слова: водяное колесо, Аму-Бухарский канал, расход воды, скорость потока воды, гидроэнергетический потенциал, коэффициент использования энергии потока воды.

Keywords: water wheel, Amu-Bukhara canal, water flow rate, water flow rate, hydropower potential, water flow energy utilization factor.

Введение. В мире на сегодняшний день стремительный рост потребления элекроэнергии связанный с увеличением населения Земли, повлекло за собой истощение природных ресурсов, а также изменение климата связанное с выбросами парниковых газов в атмосферу за счёт сжигания природного топлива в целях выработки электроэнергии.  Для решения этих проблем необходимо увеличение доли выработки электроэнергии из возобновляемых источников энергии[1].  

Согласно отчету Renewables 2020 Global Status Report, электроэнергия выработанная из возобновляемых источников энергии, таких как солнце, ветер, биомасса, геотермальная энергия и гидроэнергетика составляет 27,3 процента[2].

По данным организации International Hydropower Association (IHA) пятерку лидеров по установленной мощности за период 2020 года замкнули Китай (13760 МВт), Турция (2480 МВт), Индия (478 МВт), Ангола (401 МВт) и Россия (380 МВт). Что касается Узбекистана то в 2020 году он освоил 71 МВт установленной мощности и занял 24 строчку в мировом рейтинге, что значительной превышает по отношению к 2019 году с добавленной установленной мощностью 11 МВт с 40 местом в мировом рейтинге (Рис. 4) [3].

Одним из важнейших комплексов в Республике Узбекистан является система Аму-Бухарского машинного канала (АБМК), расположенного в Бухарской области. Для эффективного использования гидроэнергетической установки необходима в первую очередь точная оценка ресурсов гидроэнергетического потенциала и свойств энергии воды в регионе, где будет применена установка. Впервые гидроэнергетический потенциал Аму-Бухарского машинного канала был оценен в научных исследованиях, ученных Бухарского инженерно-технологического института. В ходе исследования было установлено что ирригационная система Аму-Бухарского машинного канала обладает хорошим потенциалом. Оценка валового гидроэнергетического потенциала составила 200,2 ГВт·ч и может служить решением проблем с электрификацией отдалённых районов с бесперебойной и надёжной электроэнергией, с применением микроГЭС, эффективно работающей в низконапорных водотоках [4].

Методология.

Для теоретического обоснования работы гидроэнергетической установки, эффективно работающей в низконапорных водотоках со скоростью потока в диапазоне 1-4 м/с, построим математическую модель конструкции водяного колеса с наружным диаметром 1м.

На рисунке 1 показана схема геометрических параметров конструкции нижнебойного водяного колеса.

Рисунок 1. Схема геометрических параметров конструкции водяного колеса

Из геометрического расположения следует, что величины, наружного диаметра  и внутреннего диаметра  водяных колес взаимосвязаны уравнением:

                                                                    (1)

Высота лопасти  рассчитывается в зависимости от внешнего диаметра водяного колеса и расхода воды. Согласно научнқм исследованиям, для потока с

расходом воды Q ≤ 0,5 м³/с, принято следующее уравнение [5]:

                                                                        (2)

Для достижения уменьшения потерь водяного колеса, необходимо:

 выбрать глубину погружения  изогнутой лопасти, описывающейся расчётным кружком с радиусом  форма которой значительно уменьшает коэффициент лобового сопротивления при взаимодействии с водой по отношению к аналогам с прямыми лопастями взаимосвязаны уравнением [6]:

                                                                 (3)

Угол наклона лопасти на выходе из воды определяется по следующей формуле:

                                                (4)

Благодаря геометрическим закономерностям определим зависимость угла  от угла :

,        (5)

Глубина погружения лопасти определяется по следующей формуле:

                                                          (6)

Частота вращения водяного колеса рассчитывается по его диаметру и окружной скорости [7]:

                                                                       (7)

 – окружная скорость, м/с;

Окружная скорость водяного колеса равна половине скорости потока воды на входе имеет следующий вид [8]:

                                                                       (8)

Формула позволяющая определить количество лопастей водяного колеса имеет следующий вид [9]:

                                                                     (9)

Глубина погружения лопасти в воду параметр, зависящий от скорости вращения, толщины лопасти , внешнего радиуса колеса , расхода воды ,  определяется следующим выражением приведенном в литературе [10]:

                          (10)

Исходя из уравнения (1) получим математическое выражение, определяющее расход потока воды:

                         (11)

Коэффициент мощности , величина выражающая часть энергии потока воды, усвоенной водяным колесом, определяется следующим образом [11]:

                                                              (12)

где,  скорость потока воды,  плотность воды,  расход воды,  ометаемая площадь лопастей, погруженных в воду.

Результаты исследования.

В ходе исследования были получены следующие результаты.

На рисунке 2 показаны кривые, полученные в программе Matlab/Simulink охарактеризовываюшие зависимость расхода потока воды  от угла наклона лопасти на выходе из воды . Было установлено что при угле наклона лопасти на выходе из воды , значение расхода потока воды максимален и составляет .

На рисунке 3 показаны кривые зависимости коэффициента использования энергии потока воды от угла наклона лопасти на выходе из воды  при различной скорости потока воды в диапазоне от 1-4 м/с полученные в программе Matlab/Simulink. Было установлено что при угле наклона лопасти на выходе из воды , значение коэффициента использования энергии потока воды принимает максимальное значение при скорости потока воды 4 м/с равное .

Заключение.

В ходе теоретического исследования гидроэнергетической установки, применяемой в низконапорных водотоках со скоростью потока воды 1-4 м/с, было установлено что для эффективной работы водяного колеса угол наклона лопасти на выходе из воды составил , при это расход воды и коэффициент использования энергии потока воды при скорости потока равной 4 м/с, составили  и  соответственно. Использование данного водяного колеса, эффективно работающего в низконапорных водотоках, может послужить обеспечению локальных потребителей малой мощности, что приведет к развитию социальной и экономической сфер.

Список литературы:

1. Sadullayev N.N., Safarov A.B., Nematov Sh.N., Mamedov R.A., Abdujabarov A.B. Opportunities and prospects for the use of renewable energy sources in Bukhara region // Applied solar energy. 2020. Vol. 56. № 4 - P. 410-421.
2. Renewables 2020 Global Status Report / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/GSR2021_Full_Report.pdf (дата обращения 11.01.2021).
3. 2021 Hydropower Status Report / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.hydropower.org/publications/2021-hydropower-status-report (дата обращения 11.07.2021).
4. Мамедов Р.А., Сафаров А.Б., Чарыева М.Р. Анализ зависимости коэффициента Шези при оценке ресурсов гидроэнергетического потенциала оросительных каналов Бухарской области // Научно-технический журнал «Альтернативная энергетика». 2021. №1. – С. 52-60.
5. Müller W. Die eisernen Wasserräder - Berechnung, Konstruktion und Wirkungsgrad. - Germany, 1899. - P. 143.
6. Matthias H. Analyse des Zuppinger-Wasserrades – Hydraulische Optimierungen unter Berücksichtigung ökologischer Aspekte. – Stuttgart, 2018. - P. 192.
7. Мухаммадиев М.М., Уришев Б.У., Мамадиеров Э.К., Умарова Д.М. Новая конструкция наплавной микрогидроэлектростанции // Четверная научно-техническая конференция «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии». - Санкт-Петербурге, 2008. - С. 1-9.
8. Adanta D., Kurnianto M. Effect of the number of blades on undershot waterwheel performance for straight blades // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science – Germany, 2020. 431 – P. 1-6.
9. Quaranta E., Müller G. Sagebien and Zuppinger water wheels for very low head hydropower applications // Journal of Hydraulic Research. 2018. - P. 1-11.
10. Nuembergk D.M., Trostdorf F., Treiber G. Untersuchung zum Wirkungsgrad eines Zuppinger-Wasserrades mit einer kreisförmigen Überfallschütze // Wasserbaukolloquium 2009: Wasserkraft im Zeichen des Klimawandels Dresdener Wasserbauliche Mitteilungen. 2009. - Р. 359-368.
11. Юренков В.Н., Иванов В.М., Клейн Г.О., Блинов А.А., Родивилина Т.Ю, Иванова П.В. Методика расчета обтекания лопасти водяного колеса // Вестник АлтГТУ им И.И.Ползунова. 2006. №2. – С. 143-150.