14.574.21.0076

Целью настоящих прикладных научных исследований являлись разработка и обоснование эффективности технического решения – макета плавучей модульной микрогидроэлектростанции (микроГЭС), предназначенной для производства экологически чистой энергии в условиях малых равнинных водных объектов, обладающих скоростью потока, не превышающей 1 м/с и геометрическим напором до 2 метров; параметрическая оптимизация гидроагрегата и его исследование в составе микроГЭС.
Исследовательские задачи заключались в изготовлении макета микроГЭС и системы её управления, проведении экспериментальных исследований характеристик макета микроГЭС с использованием стендового оборудования НИУ "МЭИ", систематизации и предварительной оценке полученных результатов экспериментов, выполнении дополнительных патентных исследований, разработке заявки на получение правоохранных документов выявленных объектов интеллектуальной собственности при выполнении проекта.
Кроме того, важным этапом с технико-экономической точки зрения являлась разработка методических рекомендаций по расчёту и построению низконапорных микроГЭС предлагаемой компоновки, а также технического задания на опытно-конструкторскую работу по проектированию микроГЭС для работы в автономных и объединённых электросетях с опорой на проведённую экспериментальную верификацию разработанного технического решения.
Для внедрения данной продукции в реальный сектор экономики и её вовлечению в хозяйственный оборот, даны рекомендации по коммерциализации, а также разработаны технические требования к проектированию, производству и эксплуатации низконапорной микроГЭС с учётом технологических возможностей и особенностей индустриального партнёра.

Существующие хорошо отработанные в мире типовые гидроэнергетические установки - ГЭУ, обеспечивающие преобразование гидравлической энергии потока в механическую, пригодную для привода генераторов, считаются малоэффективными при располагаемых напорах менее 2 метров водяного столба и малых скоростях потока в русле (около 1…2 м/с). Кроме того, электростанции с приводом от гидротурбин осевого, радиально-осевого типа, поперечного потока (Банки-Митчелла) требуют серьёзных строительных работ, так как размещаются в нижнем бьефе плотины. Это создает проблему для малых ГЭС, - аварийные паводковые повреждения гидроагрегатов при переливах воды через плотину. В этой связи́, применение классической схемы размещения микроГЭС нельзя считать эффективным решением.
Сегодня большинство образцов и проектов плавучих ГЭС предполагают применение на них свободнопоточных ГЭУ, не использующих геометрический напор, то есть малоэффективных для малой и микрогидроэнергетики. Описанные проблемы могут быть решены посредством применения разработанного решения. Его ключевыми особенностями являются два конструктивных исполнения:
– стационарного, для размещения на плотине,
– плавучего повышенной мобильности - на понтоне.
Компоновка микроГЭС конструктивно и оперативно проста, исключает применение громоздкой системы вакууммирования. Модульность конструкции допускает размещение нескольких гидроагрегатов на всём протяжении напорного фронта русла для достижения требуемой мощности. Разработанная микроГЭС даёт возможность эффективно и непрерывно вырабатывать экологически чистую электроэнергию, используя энергию малых равнинных рек и гидротехнических сооружений, потенциал которых в настоящее время незадействован.

В основу настоящих прикладных научных исследований была заложена разработка ГЭУ, обеспечивающей стабильную и надёжную выработку качественной электроэнергии. С точки зрения применимости различных типов гидротурбин к рассмотренным условиям, принято считать, что в условиях малых водотоков наиболее применимы схемы с гидротурбинами низкой частоты вращения. Последнее является их большим недостатком. Это приводит к необходимости использовать либо генераторы тока со сложными и дорогостоящими преобразователями для понижения частоты вращения, либо дорогостоящие мультипликаторы в схеме "гидротурбина – генератор". Стоимость последних может быть соизмерима со стоимостью всей ГЭУ. Простейший же вариант мультипликатора – ременная или цепная передача значительно снижают надёжность и долговечность гидроагрегата, увеличивают стоимость его эксплуатации. Кроме того, широко применяемые типы гидротурбин (осевые, радиально-осевые, Банки-Митчелла и др.) требуют серьёзных строительных работ, так как требуют размещения в нижнем бьефе плотины. Это создаёт проблему аварийности гидроагрегатов, распространенную на малых ГЭС классической схемы исполнения. Также, наличие перепада высот между верхним нижним бьефами подразумевает стационарный монтаж таких ГЭУ и, как следствие, проблемы паводковой аварийности. Важно принять во внимание, что любой гидротехнический объект страдает от схода талых вод и паводковой аварийности, вызванной не только переливом воды через плотину, но и попаданием различных посторонних предметов в напорный водовод, а затем и в рабочее колесо гидроагрегата, вызывая его механические повреждения, в том числе и аварийные. Избежать проблему паводковой аварийности можно на плавучих микроГЭС.

Установка в таком исполнении, располагающаяся между верхним и нижним бьефом гидротехнического объекта, неуязвима к подтоплению во время паводка, более того, - свободна от демонтажа станции на время паводка. Таким образом, настоящая микроГЭС позволяет производить непрерывную поставку электроэнергии потребителям, подключённым к ней в течение года без перебоев. Благодаря плавучему исполнению, микроГЭС мобильна и эффективна к транспортировке. Предлагаемая конструктивная схема микроГЭС обеспечивает это наличием транспортного положения, его заключается во временной погрузке сбросной ветви напорного трубопровода на плавучую платформу, что позволяет оперативно и беспрепятственно транспортировать станцию по водному объекту сплавлением.

Пропеллерная гидротурбина осевого типа располагается в напорном водоводе на понтоне под уровнем верхнего бьефа плотины. Это позволяет отказаться от громоздкой системы вакууммирования, служащей для "заливки" сифонного водовода и пуска микроГЭС в работу. Это значительно сокращает оперативное управление микроГЭС в процессе работы и упрощает конструктивное исполнение устройства. Запуск микроГЭС в насосном режиме может осуществляться двумя возможными способами питания:

• от аккумуляторных батарей;
• от сети, к которой подключена микроГЭС и в которую она выдаёт впоследствии электрическую мощность.

Предложен подход к оценке энергоэффективности гидротурбины в сифонном водоводе на ранней стадии проектирования. Применение коэффициента полезного использования энергии позволяет численно оценить долю располагаемой гидравлической энергии потока в водоводе. Применение метода проектирования энергетического оборудования для малой и микрогидроэнергетики также даёт возможность учесть взаимосвязь напора и расхода гидротурбины, однозначно определяя мощность проектируемого гидроагрегата и позволяет выгодно проводить оптимизацию его расчётных параметров.

Для обеспечения КПД гидроагрегата на высоком уровне, способном к конкуренции на современном рынке энергетических установок, гидротурбина оснащена устройством, обеспечивающим достаточно полное преобразование геометрического напора в динамический - напорным трубопроводом в виде сифона.

Кроме того, для улучшения энергетической эффективности и конструктивного упрощения гидроагрегата, проточная часть спроектирована со сниженными показателями гидравлического сопротивления – из конструкции гидроагрегата исключён входной направляющий аппарат для снижения энергетических потерь потока на входе в гидротурбину, а её лопастная система спроектирована из условия отсутствия циркуляции на входе, учитывающего отсутствие направляющего аппарата и обеспечивающая отрицательную циркуляцию потока на выходе из рабочего колеса. Сбросная ветвь напорного водовода выполнена в виде диффузора, обеспечивающего снижение скорости сработавшего энергию потока на выходе. 

Экспериментальные исследования проводились с целью детального исследования характеристик макета микроГЭС и подтверждения разработанной методики расчёта пропеллерной гидротурбины. В результате получены не только характеристики в номинальном режиме работы гидроагрегата, но и выполнена задача получения энергетических характеристик макета микроГЭС N(Н, n) – изменения мощности N в широком диапазоне изменения напора H и частоты вращения n, а также оценки уровня её энергетической эффективности η(Н, n). Это обосновано необходимостью учитывать реальные условия эксплуатации, влекущие за собой изменение параметров потока и частоты вращения ротора.

  

Эксперименты, выполненные для двух режимов работы: на объединённую сеть и на автономную локальную, показали успешную верификацию предложенной методики проектирования и оценку энергетической эффективности макета микроГЭС разработанной компоновки. Результаты испытаний макета микроГЭС систематизированы и предварительно оценены. В обоих режимах работы обеспечивается устойчивое заполнение сифонного водовода за счёт работы гидромашины в насосном режиме. В установившемся режиме работы на объединённую сеть получена средняя выходная электрическая мощность одного модуля двухмодульной микроГЭС на уровне 1606 Вт при заявленной мощности 1500 Вт, а в установившемся режиме работы на автономную локальную сеть - 1561 Вт.

Оценка результатов экспериментальных исследований подтвердила соответствие заявленных параметров макета микроГЭС лучшим мировым аналогам. Среди таковых можно отметить сифонную ГЭС на гидроузле р. Морава, (Чешская Республика), разработкой которой занимался Центр гидравлических исследований "Sigma" (г. Лутин), а также перспективный проект АО «ГЭС Оберхасли» (Kraftwerke Oberhasli AG, Швейцария) по созданию так называемого "успокоительного водоёма" за второй очередью ГЭС "Иннерткирхен". Проект водоёма предполагает использование принципов размещения гидромашины в напорном водоводе сифонного типа под уровнем верхнего бъефа и модульности энергетических установок.

Выполненный патентный поиск и изучение публикаций по тематике научных исследований выявили, что предлагаемое решение обладает патентной чистотой и новизной в отношении России, США, Великобритании, Японии, Китая, Кореи. В соответствии с этим разработана заявка на получение правоохранных документов на настоящий объект интеллектуальной собственности.

На разработанное и экспериментально апробированное техническое решение плавучих низконапорных микроГЭС модульной конструкции даны развёрнутые методические рекомендации по их расчёту и построению. Разработано техническое задание на опытно-конструкторскую работу по созданию микроГЭС, предназначенной для работы в автономных и объединённых электросетях. Кроме того, даны рекомендации по коммерциализации данного технического решения с учётом технологических возможностей индустриального партнёра. Наиболее перспективным путём здесь является реализация продукта по бизнес-модели "B2B", как возможность организации серийного производства на производственных мощностях действующего предприятия.

Таким образом, разработанная методика и гидроагрегаты микроГЭС, спроектированные с её использованием, могут быть представлены для решения задач энергоснабжения в автономных и объединённых электросетях, отвечая высокому уровню энергетической эффективности, а цели и задачи настоящего проекта можно считать в полной мере выполненными.

Сегодня в РФ значительное число потребителей электроэнергии находится в зонах, удалённых от централизованного энергоснабжения. В основном это небольшие населённые пункты, испытывающие серьёзные проблемы, связанные с поставками энергии. Как правило, такие потребители используют энергоустановки с дизельным приводом. Это ведёт к ряду экономически негативных факторов - высоким капиталовложениям на эксплуатацию энергосистемы и, как следствие, удорожанию стоимости электроэнергии. На территории РФ большинство таких потребителей расположены вблизи малых водных объектов (например, р.Янгиз, Оренбургская обл, дельты р. Урал и др.), что открывает широкие возможности для выработки не только более дешёвой, но и экологически чистой электроэнергии. Значительная их часть представляет собой малые равнинные реки (в том числе р. Листвянка, Рязанская обл., р. Бельдунчана, Красноярский Край). Численность подобных источников на территории РФ насчитывает около 2,5 млн. Вблизи каждого из них расположены десятки малых населённых пунктов, на сегодняшний день отрезанных от цивилизации с точки зрения энергоснабжения. Неэлектрофицированные территории нашей страны, расположенные рядом с малыми водными объектами составляют около 65% всей территории РФ, на которой в сумме проживают 25-30 млн. человек. В стабильном энергоснабжении также нуждаются отдалённые технические службы наблюдения и связи. В вахтовых и экспедиционных поселках проживает около 395 тыс. человек, а в условиях полукочевого быта - около 50 тыс. Поэтому необходимо энергоснабжение удалённых деревень и посёлков, а также сектора владельцев частных домов и садово-огородных участков, которым требуется мощность порядка 3-5 кВт, а это в целом по РФ ещё около 5 млн. человек.
Кроме того, внедрение данной разработки предоставляет возможность значительно снизить капиталовложения на возведение новых энергетических объектов и восстановление энергетического оборудования малых и миниГЭС, выведенных из эксплуатации (Ярополецкая миниГЭС, р. Лама, Московская обл.). Благодаря эффективному конструктивному исполнению, возможно исключение затратных и трудоёмких строительных работ и работ по размещению энергетического оборудования в теле плотины, которые имеют место в классических схемах компоновки оборудования для гидроэнергетики.