Моделирование и экспериментальное исследование оптимальных рабочих параметров микроГЭС с ковшовыми лопатками при переменных параметрах водного потока

Аннотация

Актуальность: использование возобновляемых источников энергии, в частности малого гидроэнергетического потенциала, приобретает важное значение в условиях постоянно растущего спроса на энергию. МикроГЭС, работающих при низких и средних напорах водных потоков, позволяющих получать электрическую энергию за счёт использования местных водных ресурсов. Однако в условиях изменяющихся расхода воды и напора определение оптимального режима работы гидротурбины и повышение её энергетической эффективности остаются важными научно-практическими задачами. В связи с этим актуальным является определение оптимальных рабочих характеристик микроГЭС с ковшовыми лопатками, в зависимости от расхода воды, напора, частоты вращения и геометрических параметров лопаток.

Цель: цель исследования заключается в определении оптимальных рабочих параметров гидротурбины микроГЭС с ковшовыми лопатками, работающей в условиях переменного расхода воды и напора, на основе математического моделирования и экспериментальных исследований, а также в оценке взаимосвязей между частотой вращения турбины, крутящим моментом, механической и электрической мощностью и КПД.

Методы: в исследовании была разработана математическая модель и расчётный алгоритм для гидротурбины с ковшовыми лопатками. Были рассчитаны расход воды, напор, скорость потока, количество лопаток, угол их установки, частота вращения, крутящий момент, механическая мощность и гидравлический КПД. Для определения оптимальных режимов работы применялись итерационные расчёты и метод штрафных функций. Кроме того, для оценки энергетической эффективности микроГЭС были проведены лабораторные и натурные экспериментальные исследования, в ходе которых измерялись расход воды, напор, частота вращения, крутящий момент, а также механическая и электрическая мощность. На основе экспериментальных данных в среде MATLAB была разработана регрессионная модель.

Результаты: по результатам расчётов и экспериментальных исследований установлено, что энергетические показатели микроГЭС в значительной степени зависят от расхода воды, напора и частоты вращения турбины. В расчётном режиме при H = 30 м и общем расходе воды Q = 0,018 м³/с оптимальная частота вращения каждой гидротурбины составила 540 об/мин, механическая мощность — 2150 Вт, а суммарная механическая мощность двух турбин — 4300 Вт. Эксперименты исследования проводились при H = 5–30 м, Q = 0,0036–0,009 м³/с и N = 220–540 об/мин. Электрическая мощность увеличивалась с 300 Вт, при напоре 5 м, до 4385 Вт при напоре 30 м. Степень соответствия математической модели экспериментальным результатам составила R² ≈ 0,929, что свидетельствует о высокой точности разработанной модели.