Теоретические основы разработки водопогружных гидрогенераторов, используемых в качестве возобновляемых источников электроэнергии малых и средних рек : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.01

В последнее время в мире
возрастает интерес к альтернативным источникам энергии, использующим энергию ветра, солнца, приливов и отливов, волн, геотермальную энергию. Одним из наиболее эффективных направлений развития нетрадиционной энергетики является использование энергии небольших водотоков c помощью малых гидроэлектростанций (ГЭС). Практически в любой стране существует большое количество рек с небольшой величиной водотока, которые с успехом могут быть использованы для строительства мини – ГЭC. В настоящее время наблюдается тенденция уменьшения доли традиционных источников энергии в энергобалансе ведущих развитых стран и возрастание доли альтернативных источников энергии.
Это обусловлено:
– истощением запасов углеводородных источников;
– требованиями экологии по уровню выброса углекислого газа.
Сжигание углеводородов наносит большой вред окружающей среде.
Использование энергии больших рек приводит к затоплению территорий, сокращению земель для сельского хозяйства. Не все страны имеют запасы угля, нефти и газа. Поэтому они попадают в энергетическую зависимость от стран производителей электроэнергии.
Альтернативные источники энергии экологически безопасны, они равномерно распределены по земному шару. В последнее время они становятся экономически выгодными.
Разработка надежного и экономичного оборудования для малых ГЭС является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение при строительстве малых автономных гидроэлектростанций. Гидрогенераторы для малых рек – это надежные, экологически чистые, компактные, быстро окупаемые источники электроэнергии. Они экономически целесообразны для деревень, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных, горных и
9
труднодоступных районах, где нет линий электропередач, а их строительство требует больших финансовых затрат и времени.
Большой практический интерес в этой концепции представляют реки Таджикистана, Узбекистана и других стран с большим количеством горных водных ресурсов, расположенных в труднодоступных местах.
Возобновляемые с источники имеют хорошую перспективу и, во многом, могут решить проблему увеличения выработки электроэнергии.
– они имеют неограниченный ресурс;
– они экологически чисты.
По данным Европейской Ассоциации малой гидроэнергетики суммарная
установленная мощность малых гидроэлектростанций на 2010 год в мире составила 37 ГВт, в том числе в Евросоюзе-14 ГВт. Наилучшие результаты по освоению гидроресурсов малых рек имеют следующие страны Евросоюза: Италия 21%, Франция 17,5%, Испания 15,5%, Германия 14%, Австрия 9,4% от общего баланса выработки электроэнергии малыми гидроэлектростанциями [3].
На рис.1 представлена диаграмма использования гидроресурсов в мире.
Рисунок.1. Распределение установленной мощности малой гидроэнергетики по регионам в мире.
10

В России энергетический потенциал малых рек составляет более 1000 млрд кВт⋅ч в год (см. табл.1), что в несколько раз превосходит этот показатель для большой гидроэнергетики.
Потенциал мини-ГЭС в РФ (млрд. кВт⋅ч/год)
Таблица 1
Федеральный округ
Теоретический потенциал
Технический потенциал
Северо-Западный Центральный Приволжский Южный Уральский Сибирский Дальневосточный Итого по России
48.6 15.1 7.6 2.9
35 11,4 50.1 15.5 42.6 13.2
469.7 153 452 146
1105.6 357.1
Указанные цифры доказывают, что научные исследования и инженерные работы в направлении развития малой гидроэнергетики важны и актуальны.
Следует отметить, что при достигнутых значительных результатах инженерные и научные проблемы в этой области до конца не решены. Это связано с особенностями использования гидроресурсов малых рек.
Каждая малая река имеет свою специфику: скорость течения, мощность водяного потока, глубину, особенность рельефа. В этих условиях очень сложно создать универсальный генератор, который удовлетворял бы всем требованиям. По этой причине серийно выпускаемые генераторы в каждом конкретном месте малой реки будут работать неэффективно, так как они спроектированы на конкретный режим работы. Поэтому, очень сложно получить максимально возможный КПД, требуемое напряжение, наилучшие массоэнергетические показатели генератора в месте эксплуатации. В связи с этим возникает
11

проблема проектирования специального гидрогенератора для данной реки и конкретного места установки.
В настоящее время в литературе не описана методика проектирования таких гидрогенераторов. Отечественные диссертационные работы в полной мере не решают эту проблему, поэтому разработка таких энергетических источников остается актуальной проблемой.
Степень научной разработанности исследуемой темы. Научная общественность проблеме развития малой гидроэнергетики уделяет пристальное внимание более 100 лет. За этот период накопился достаточный практический и теоретический опыт, как положительный, так и отрицательный. Если в начале развития этой отрасли проблемы экологии вообще не рассматривались, то в настоящее время без их учета невозможно принимать технические решения. Практика показала, что большая гидроэнергетика существенным образом влияет на баланс природных ресурсов. Отчуждение сельскохозяйственных земель, заиливание водных бассейнов, влияние на естественную биосферу, затраты на переселение людей и их новое обустройство – это только малый список реальных проблем.
При анализе научных заделов в этой области следует учесть комплексность решаемой проблемы, в частности по выбору типа мини-ГЭС, типа генератора, системы управления, накопления электроэнергии.
Существуют наработки по проектированию плотинных ГЭС [169].
Ученые Московского энергетического института внесли существенный вклад в проектирование асинхронных и синхронных генераторов для мини- ГЭС, в частности электрических машин с мощными высококоэрцитивными постоянными магнитами [15-16]. Представляют интерес наработки по малой гидрогенерации, использующей избыточное магистральное давление [17-25].
Ученые Ивановского энергетического государственного университета внесли существенный научный вклад в вопросы оптимального проектирования электрических машин и их анализа [82-87,162-166].
12

Следует отметить вклад ученых Новосибирского государственного университета в область малой гидроэнергетики, в частности, разработки генератора двойного питания [68-71].
Интересен опыт Алтайского государственный технический университета по разработке мини-ГЭС с асинхронным генератором для сельскохозяйственного применения [134-156].
Самарский государственный технический университет внес существенный вклад в развитие альтернативной энергетики, в частности, в разработку генераторов для ветроэнергетических установок [5-6,104-109,197].
Заслуживают внимание научные заделы Уральского политехнического института по разработке специальных электрических машин, в частности, машин, работающих в агрессивных средах [123,133].
Южно-Уральский государственный университет в течение рядя лет занимается вопросами освоения альтернативной энергии и имеет научные заделы в этой области [31-65].
В наукометрической базе Scopus и Web of Science существует обширный материал, посвященный этой проблеме [183-199]. Рассмотрены различные типы существующих мини-ГЭС, разные типы генераторов и систем управления к ним. В частности, изучены вентильно-индукторные генераторы, генераторы с электромагнитной индукцией, асинхронизированные синхронные генераторы [184-189]. Хорошо представлены методы анализа сложных электромеханических систем на основе новейших инженерных технологий [190-193].
Большое количество научных работ говорит о том, что на сегодняшний день вопрос о выборе типа мини-ГЭС и типа электрической машины для гидрогенератора до конца не решен и идет активный поиск. Следует отметить, что исследования носят разрозненный характер по решению локальных узких технических задач. Не разработана проектная система, позволяющая решить связанную сквозную задачу от постановки технического задания по проектированию мини-ГЭС для конкретного места реки до синтеза и анализа
13

конкретного устройства. Современный уровень развития вычислительной техники позволяет решить эту задачу.
Цель диссертационного исследования. Основной целью диссертационного исследования является создание методики по проектированию водопогружных гидрогенераторов, используемых в качестве возобновляемых источников энергии малых и средних рек. Данная методика должна позволить разработчику для выбранного места реки с конкретными гидроэнергетическими параметрами разработать систему генерации электроэнергии с максимальными показателями энергоэффективности (КПД, массоэнергетическими параметрами, надежностью).
Задачи исследования: для достижения этой цели необходимо последовательно решить следующие научные задачи:
– выбрать тип минигидроэлектростанции, определить ее структуру;
– выбрать тип гидрогенератора, разработать его конструкцию;
– разработать методику расчета магнитной системы гидрогенератора; – разработать математическую модель для оптимизационного расчета
гидрогенератора;
– разработать гибкую систему многоуровневой оптимизации гидро-
генератора;
– разработать систему анализа электромагнитного состояния гидро-
генератора;
– разработать систему анализа теплового состояния гидрогенератора;
– связать в единую проектную систему синтез гидрогенератора и анализ
электромагнитных и тепловых характеристик.
Объект исследования. Объектом исследования является вентильная
машина комбинированного возбуждения, работающая в режиме генератора. Предмет исследования. Предметом исследования являются методы анализа и синтеза вентильной машины комбинированного возбуждения, работающей в режиме генератора. Это методы разработки математических моделей для оптимизации, математических моделей для оценки
14

электродинамического и теплового состояния, методы оптимального проектирования.
Методология и методы исследования. Поставленные научные задачи решены с применением общей теории электрических машин, методов проектирования на основе схем замещения, методов нелинейного программирования для решения задачи оптимизации, метода конечных элементов для решения задач электромагнитного и теплового анализа, методов физического моделирования, методов трехмерного твердотельного моделирования.
Научная новизна
Класс вентильных машин комбинированного возбуждения известен достаточно давно, но принцип комбинированного возбуждения может быть реализован в большом количестве конструктивных исполнений. Как правило, конструкции машин этого класса имеют паразитный магнитный зазор, который ухудшает основные параметры. Этот фактор ограничивает развитие этих электрических машин. В работе применена уникальная конструкция вентильного генератора комбинированного возбуждения, которая не имеет этого недостатка. На конструкцию имеется патент РФ. Представленная в работе методика расчета этой конструкции обладает научной новизной и является дальнейшим развитием теории электрических машин этого класса.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод расчета магнитной системы вентильной электрической машины комбинированного возбуждения, отличающийся от известных методов тем, что в основу его положен метод конечных элементов, но число элементов заранее определено таким образом, чтобы количество уравнений, описывающих магнитное состояние системы, было небольшим и позволяло включить электромагнитный расчет в большое число оптимизационных циклов.
2. Математическую модель расчета вентильного генератора комбинированного возбуждения, которая описывает уникальное запатентованное устройство, имеющее различные конструктивные
15

модификации и позволяющее включить эту модель в оптимизационные циклы для определения наилучшей по выбранному критерию геометрии.
3. Математическую модель многоуровневой однокритериальной оптимизации генератора комбинированного возбуждения, отличающуюся тем, что она позволяет создать гибкую проектную систему, позволяющую разработать генератор для различных проектных ситуаций.
4. Математическую модель анализа электромагнитного и теплового состояния генератора комбинированного возбуждения, которая, в отличие от существующих методов анализа, позволяет решить связанную задачу электродинамики и термодинамики генератора уникальной конструкции.
Соответствие паспорту специальности. Диссертация соответствует специальности 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты. Полученные в работе научные результаты соответствуют пп. 2 «Разработка научных основ создания и совершенствования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов», пп. 3 «Разработка методов анализа и синтеза преобразователей электрической и механической энергии», пп. 5 «Разработка подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих проектирование, надежность, контроль и диагностику функционирования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов в процессе эксплуатации, в составе рабочих комплексов» паспорта специальности.
Теоретическая значимость. В работе представлено дальнейшее развитие теории вентильных машин комбинированного возбуждения, которые недостаточно изучены в общей теории электрических машин, в частности, теоретическую новизну представляет собой методика расчета постоянного магнита, метод оптимизации этого класса машин, метод анализа электромагнитного и теплового состояния, который основан на решении связанной задачи.
Практическая значимость. Основным практическим результатом проведенных исследований является создание гибкой проектной системы,
16

которая позволит в зависимости от требования заказчика спроектировать гидрогенератор с оптимальной геометрией и наилучшими массоэнергетическими параметрами для конкретного места реки. Данные исследования являются основой системы автоматизированного проектирования для гибкого производства мини-ГЭС. Массовое производство мини-ГЭС позволит освоить гидропотенциал малых и средних рек, который по экспертным оценкам в несколько раз превосходит этот показатель для больших рек.
Разработанный метод расчета магнитной системы доведен до инженерной практики и может быть использован для расчета плоских прямоугольных постоянных магнитов для различных магнитных систем.
Внедрение результатов работы. Результаты научных исследований вызвали большой интерес в организации Ассоциация малой энергетики. Это один из динамичных отраслевых союзов России, который объединяет предприятия и организации, осуществляющие свою деятельность в сфере малой распределенной и альтернативной энергетики и смежных отраслях. Проект участвовал в Международном конкурсе «Малая энергетика-большие достижения» в номинации «Инновационная разработка в сфере энергетики» и получил одобрение экспертов.
Метод расчета постоянного магнита и методика расчета электрической машины комбинированного возбуждения внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника в курсе «Проектирование специальных электрических машин».
Степень достоверности результатов работы. Достоверность полученных научных результатов подтверждается корректным использованием известных методов анализа и синтеза, применяемых в общей теории электрических машин, таких как метод эквивалентных схем замещения, метод конечных элементов, методы нелинейного программирования. Технологичность и собираемость разработанной конструкции проверена на масштабной модели, изготовленной по технологии 3D принтера.
17

Апробация работы.
Основные положения результатов диссертационной работы и отдельные ее части докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
– 12-я научная конференция аспирантов и докторантов Южно-Уральский государственный университет. (Челябинск 2020);
– Научный семинар аспирантов «IEEE Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry» (Магнитогорск 2019);
– Международная научная конференция по энергетическому, экологическому и строительному инжинирингу «EECE-2019» (Санкт- Петербург 2019);
– Международная научно-техническая конференция «International Conference on Industrial Engineering» (Москва 2018-2019);
– десятая научная конференция аспирантов и докторантов Южно- Уральского государственного университета. (Челябинск 2018);
– 70-я научная конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников Южно-Уральского государственного университето. (Челябинск 2018);
– II Всероссийская (национальная) научно-практическая конференция «Приоритетные направления развития энергетики в АПК» (Курган 2018);
– Международная научно-техническая конференция «2018 Global Smart Industry Conference» (Челябинск 2018);
– Международная научно-техническая конференция «International Ural Conference on Green Energy» (Челябинск 2018).
Публикации по теме диссертации.
По результатам диссертационной работы опубликовано 19 работ, из них:
10 работ индексированы в базе данных Scopus, 1 статья опубликована в базе данных Scopus ТОР 25 рейтинга мировых научных журналов, 3 статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 5 статей в журналах РИНЦ.
18

Личный вклад автора в диссертационное исследование
Все научные результаты, включенные в диссертацию и представленные к защите, получены лично автором. Личный вклад диссертанта в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в определении направлений исследований, постановке задач, разработке математических и имитационных моделей.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, доценту Гандже Сергею Анатольевичу за конструктивную критику и содействие при работе над диссертацией.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из определений, используемых научных терминов, основных обозначений и сокращений, введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 201 наименований, 3 приложений. Работа изложена на 166 страницах, из них 132 страницы основного текста. Работа содержит 47 иллюстраций, 97 аналитических выражений, 3 таблицы.
Диссертация имеет следующую структуру и логику построения.
Во введении показана актуальность выбранной темы. Отмечено, что гидроресурсы малых и средних рек при правильном использовании могут в несколько раз превосходить этот показатель для крупных рек. Показана степень научной разработанности исследуемой темы, задачи исследования, объект и предмет исследования, примененные в работе методы исследования, научная новизна и положения, выносимые на защиту, соответствие паспорту специальности, практическая значимость и результаты внедрения, апробация и публикации по теме диссертационного исследования.
Первая глава содержит классификацию малых и средних рек. Определен тип мини – ГЭС. В качестве основного варианта выбрана водопогружная мини – ГЭС проточного типа. Функциональная схема мини-ГЭС включает в себя гидрогенератор, выпрямитель, накопитель энергии, инвертор постоянного тока в переменный. В качестве гидрогенератора выбрана уникальная
19

запатентованная машина комбинированного возбуждения [117]. Приводится ее описание и принцип действия.
Во второй главе приводится разработка математической модели электромагнитного расчета вентильного генератора комбинированного возбуждения. Математическая модель является основой для оптимизации геометрии генератора по выбранному критерию. Точность математической модели зависит от точности расчета постоянного магнита. В главе разрабатывается методика расчета постоянного магнита. Основу ее составляет метод конечных элементов, но она существенно упрощена за счет того, что количество элементов задается заранее для любого размера магнита. Модель при высокой точности позволяет включить себя в большое число циклов оптимизации, что важно для подсистемы синтеза. Приведена модель расчета магнитной цепи генератора комбинированного возбуждения и общая модель электромагнитного расчета. Разработанные модели составили основу подсистемы синтеза.
В третьей главе представлена разработка системы оптимального проектирования генераторов комбинированного возбуждения, сформулированы требования к математической модели, к системе оптимизации. В качестве метода оптимизации выбран метод покоординатного спуска Гаусса-Зейделя в сочетании с методом Фибоначчи. Дано понятие уровней оптимизации. Определено 8 уровней оптимизации. Для каждого уровня определена система констант, ограничений, независимых переменных и критериев оптимальности. С учетом выбора различных критериев система позволяет реализовать до 12 проектных ситуаций, закрывая практически все потребности реального проектирования вентильного генератора комбинированного возбуждения (ВГКВ) данной конструкции.
В четвертой главе описана подсистема анализа проектной системы. Подсистема анализа включает в себя оценку электромагнитного состояния и оценку теплового состояния гидрогенератора. В основу подсистемы анализа положены разработанные и проверенные на практике CAD программы,
20

реализующие метод конечных элементов. Подсистема анализа связана с подсистемой синтеза общей оболочкой и входит в общую проектную систему по созданию гидрогенераторов данного типа. Разработанная подсистема теплового анализа реализована в два этапа. На первом этапе используется метод тепловых схем замещения, на основании которого определяются усреднённые температуры нагрева частей гидрогенератора. На втором этапе применена CAD система Ansys Icepak, реализующая метод конечных элементов.
В пятой главе доказывается работоспособность и эффективность работы проектной системы. В главе рассчитывается конкретная мини-ГЭС для реки Искандердарья (Таджикистан). С помощью системы определена оптимальная геометрия и основные параметры и характеристик мини-ГЭС, состоящей из 4 гидрогенераторов.
Заключение содержит выводы, сделанные по результатам всей работы. Определены направления дальнейших исследований в области теории и инженерной практики.
В диссертации приведен список использованных источников из 201 наименования отечественных и зарубежных авторов.
В работе имеется 2 приложения, содержащих основные типы мини-ГЭС и сравнение результатов расчета постоянного магнита при помощи инженерной методики и при помощи CAD системы Ansys Electronics Desktop.