НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ “КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО” ЗВІТ з лабораторної роботи №6 з навчальної дисципліни “Основи фізики традиційних та альтернативних джерел енергії” Тема: МАЛА ГІДРОЕНЕРГЕТИКА. РОЗРАХУНОК ПОТЕНЦІАЛУ ВОДОТОКУ Варіант 16 Перевірив доцент кафедри _________Артур РАЧИНСЬКИЙ _______________ 2024 року Київ 2024 Звіт з лабораторної роботи № 6 «Мала гідроенергетика. Розрахунок потенціалу водотоку» повинен містити: 1) короткі теоретичні відомості про малу гідроенергетику; 2)вихідні дані, що характеризують умови для визначення гідроенергетичного потенціалу водотоку; 3) визначення основних характеристик гідроенергетичного потенціалу водотоку; 4) побудова кадастрових графіків гідроресурсів водотоку 5) висновки з виконаної роботи. Теоретичні відомості Використання відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) є одним із пріоритетних напрямів розвитку світової енергетики. В останні роки в Україні частка ВДЕ в електроенергетиці сягає близько 7 – 9 % від загального обсягу споживання. Гідроенергетика – це галузь відновлюваної енергетики, в якій, за допомогою гідроелектричних станцій (ГЕС) та гідроакумулювальних електричних станцій (ГАЕС), використовується енергія рухомої води (водоймищ) для потреб електрогенерації. Гідроенергетика поділяється на велику і малу, а ГЕС в ній набули більшого поширення. У відповідності до існуючої класифікації до малих ГЕС відносять гідроелектростанції потужністю від 1 до 10 МВт, до міні ГЕС — від 200 до 1000 кВт, до мікро ГЕС — не більше 200 кВт [1]. Джерелами енергії для малої гідроенергетики є: - невеликі річки, струмки, - природні перепади висот на озерних водоскидах і зрошувальних каналах іригаційних систем, - технологічні водотоки (промислові та каналізаційні скиди), - перепади висот питних трубопроводів, систем водопідготовки та інших трубопроводів, що призначені для перекачування різних видів рідких продуктів. Потенційні можливості малої гідроенергетики України на період до 2035 року оцінені в Енергетичній стратегії від 2017 року на рівні 1140 МВт потужності з річним обсягом виробництва електроенергії 3,34 млрд. кВт·год/рік. В Україні експлуатується близько 140 малих ГЕС загальною потужністю близько 118 МВт [2]. Розподіл енергетичного потенціалу (загальний, технічний та економічний доцільний) малих річок загалом по Україні та її областям наведено на рис. 1. Рис. 1. Річний гідроенергетичний потенціал малих річок в областях України ГЕС, схема якої наведена на рис. 2, складається з комплексу гідротехнічних споруд, що забезпечують необхідні параметри потоку води та енергетичного обладнання, що перетворює її кінетичну енергію руху в електричну. Всі види ГЕС можна розділити на 2 групи: - з використанням потенційної енергії напору; - з використанням кінетичної енергії напору. Найбільшого поширення набули станції першої групи. Для створення напору на малих ГЕС можуть бути використані наступні схеми: - греблева, в якій напір створюється греблею; - дериваційна, коли напір створюється за допомогою деривації (відведення, відхилення), що виконується у вигляді каналу, тунелю або трубопроводу; - комбінована, коли напір створюється водночас греблею і деривацією. У практиці зустрічаються змішані схеми малих ГЕС: - гребле-дериваційні, в яких напір створюється як греблею, так і деривацією, а також змішані дериваційні, в яких є напірні та безнапірні водоводи. Основним енергетичним обладнанням малих ГЕС є гідротурбіни і електрогенератори. Гідравлічна турбіна перетворює кінетичну енергію руху водного потоку в механічну роботу обертання її робочого колеса. Водяні турбіни малої та середньої потужностей поділяються на турбіни з віссю, що розташована вздовж потоку, і на турбіни з віссю, що перпендикулярна потоку (рис. 3). Рис. 3. Види гідротурбін Водна енергія річкового стоку – це кінетична енергія води, що стікає під дією сили тяжіння по руслу із поздовжнім уклоном (кутом падіння). У природному стані водний потік безперервно здійснює роботу, що витрачається на подолання дії зовнішніх та внутрішніх сил тертя, механічну взаємодію потоку з руслом, переміщення наносів, розмивання русла тощо. Енергія річкового стоку безперервно відновлюється внаслідок кругообігу води в природі. При цьому, силою, що здійснює роботу, є власна вага води. Така робота водного потоку визначається різницею рівнів води на початку та в кінці ділянки довжини водотоку L (рис. 4). Рис. 4. Схема визначення потужності водотоку Робота, що здійснюється силою водотоку F на елементарній ділянці АВ дорівнює ААВ = F·L = m·g·sin(α) · L = ρ·g·ω·sin(α)·L, (8) де g – прискорення вільного падіння, м/с2; ρ – густина води, кг/м3; m – маса води, кг. Якщо врахувати енергетичні характеристики водотоку (витрату Q = ω·ν та падіння потоку на ділянці (напору) H = L· sin(α)) робота, або енергія ділянки водотоку EАВ має вигляд ААВ = EАВ = ρ·g·Q·Н·τ. (9) Потужність водного потоку на ділянці АВ NАВ = EАВ / τ = ρ·g·Q·Н. (10) Якщо виразити час τ в секундах, прийняти густину ρ = 1000 кг/м3 та g = 9,81 м/с2, то потужність NАВ, кВт NАВ = 9,81·Q·Н. (11) Енергія ділянки водотоку за рік складе, кВт∙год. ЕАВ = 8760·9,81·Q·Н, (12) де 8760 год – час використання ГЕС. За поздовжнім профілем всієї річки та даними щодо її стоку визначається потенційна потужність водотоку від витоку до гирла, так звану кадастрову потужність річки, кВт , (13) де Qk – середня багаторічна витрата води на k-й ділянці, м3⁄с; Hk – падіння водотоку на ділянці k, м, n – кількість ділянок. Потенційна річна енергія водотоку визначається за формулою, кВт∙год. . (14) Явище річкового стоку, енергетичний потенціал якого можна використовувати, є гідроенергетичним ресурсом. Гідроенергетичні ресурси поділяються на потенційні (теоретичні), технічні та економічні. Потенційні гідроенергетичні ресурси (теоретичні) визначаються у припущенні, що весь стік буде використовуватися для генерації електроенергії без втрат при перетворенні енергії руху водотоку на електричну, тобто при ККД ηгес = 1. Технічні гідроенергетичні ресурси (технічний потенціал) – це частина валового потенціалу річкового стоку, що технічно може бути використана або використовується. При цьому враховуються неминучі або наявні втрати: гідравлічні (у водопровідному тракті), електромеханічні (в обладнанні), об’ємні втрати води при випаровуванні з поверхні водосховищ та фільтрацію через нещільності тощо. Крім того, частина ділянок річки у верхів’ї та гирлі практично не використовується. Економічні гідроенергетичні ресурси – це частина гідроенергетичних ресурсів, використання яких економічно доцільно. Економічний гідроенергетичний потенціал змінюється у часі залежно від соціальних, економічних та екологічних умов. Для визначення гідроенергетичного потенціалу водотоку необхідно визначити ділянку річки, що має найбільший енергетичний потенціал та розрахувати її технічний потенціал. Для цього потрібно розрахувати теоретичний гідроенергетичний потенціал водотоку та побудувати кадастрові графіки наявних гідроресурсів [4]. Хід виконання лабораторної роботи Визначення гідроенергетичного потенціалу водотоку Вихідні дані, що характеризують умови для визначення гідроенергетичного потенціалу водотоку згідно 16 варіанту: Середньорічний модуль стоку – q = 0,005м3/с на 1 км2. Витрати стоку річки – ∆Q = 6 %. Втрати напору – ∆H = 6 %. ККД гідроелектростанції – ηгес = 0,82. 1. За вихідними даними (табл. 1) визначаються значення довжини ділянок водотоку поміж створами Lді = Li+1 – Li, де Li, Li+1 – відстань від джерела водотоку до створів, що є межами ділянок, м. 2. Знаходиться різниця рівнів вільної поверхні у межах ділянки Нді = ↓РВi – ↓РВi+1, де ↓РВi, ↓РВi+1 – відповідно, відмітки рівнів води на початку та у кінці створів, м. 3. Визначаються витрати у створах і середня витрата на ділянці Qi = (q·F)·1000, Qді = (Qi + Qi+1)/2 де q – середньорічний модуль стоку. 4. Розраховуються фактичні (із урахуванням втрат) напір і витрата на кожній ділянці Ндіф = Нді(1 – ΔН), Qдіф = Qді(1 – ΔQ) Значення напорів та витрат необхідні для подальшого визначення енергетичних параметрів водотоку. 5. Визначається потенційна потужність кожної ділянки річки та водотоку у створах у цілому (у даному випадку у кВт-год) Nді = 9,81· Qдіф · Ндіф, . 6. Визначається ділянка водотоку, що є найбільш ефективною з енергетичної точки зору, шляхом знаходження ділянки з найбільшим співвідношенням Nді/Lді, у відповідності до результатів розрахунків з таблиці 2 – це ділянка 5 – 6. Визначимо технічні потенціали ділянок: Nді = 9,81· Qдіф · Ндіф· ηГЕС де Qдіф, Ндіф – відповідно, витрата та напір найбільш ефективної у енергетичному відношенні, ділянки водотоку. 7. Розраховується теоретичний гідроенергетичний потенціал всього водотоку млрд. кВт·год, де 8760 год. – час використання ГЕС. 8. Загалом маємо таку таблицю визначення гідроенергетичного потенціалу водотоку: 9. Після проведення розрахунків будуються кадастрові графіки гідроресурсів водотоку. Залежність рівня води від відстані до джерела. Залежність витрати у створах від відстані до джерела. Залежність потужності водотоку у створах загалом від відстані до джерела. Останній графік показує потенційну потужність кожної ділянки річки на відстані до джерела. Висновок: В даній лабораторній роботі було ознайомлено із сучасними аспектами малої гідроенергетики та вивчення методики визначення гідроенергетичного потенціалу водотоку. Визначено гідроенергетичний потенціал ділянки водотоку, що є найбільш енергоефективним, та побудовано кадастрові графіки гідроресурсів.