Content uploaded by Taalaibek Mederov
Author content
All content in this area was uploaded by Taalaibek Mederov on Mar 06, 2023
Content may be subject to copyright.
22
ISSN 1694-5220. Наука. Образование. Техника, №2, 2022
УДК: 621.22:621.224:621.311.212-022.53
Медеров Т.Т.
к.т.н., доцент Кыргызского госуд. техн. универ., Кыргызская Республика
Акпаралиев Р.А.
к.т.н., доцент Кыргызского госуд. техн. универ., Кыргызская Республика
ГИДРОЭНЕРГЕТИКАНЫН ПОТЕНЦИАЛЫНА ЖАНА МИКРОГЭС ҮЧҮН
ТУРБИНАЛЫК СИСТЕМДЕРГЕ СЕРЕП
Бул жумушта микрогидроэлектростанциялардын гидротурбиналык системалары изилдөөнүн
предмети катары каралган, ошондой эле гидроэнергетикалык потенциалга жана аларды өнүктүрүү
мүмкүнчүлүктөрүнө көп көңүл бурулган. Социалдык-экономикалык чөйрөдө электр энергиясынын
мааниси чоң. Гидроэнергетика энергиянын калыптанма булактарынын эң ылайыктуу жана эффек-
тивдүүсү болуп саналат, электр энергиясын өндүрүүдө бир кылымдан ашык тажрыйбасы бар. Ги-
дроэлектрстанциялары классификацияланган эки негизги критерий – бул кубаттуулук жана анын
түзүлүшү. Кубаттуулук шкаласы боюнча: ири, чакан жана микро гидроэлектростанциялар. Түзүлүшү
боюнча: суу сактагычы бар плотиналык, нуктук, гидроаккумуляциялык, агымдык. Изилдөөнүн мак-
саты гидроэнергетиканын потенциалын, ошондой эле гидротурбиналардын ар кандай конструкци-
яларын карап чыгуу жана талдоо болгон. Гидротурбиналардын ар кандай түрлөрү изилденген. Кичи
жана микрогидроэлектростанциялар үчүн гидротурбиналардын классификациясы берилген. Гидрав-
ликалык турбиналардын жалпы сүрөттөлүшү, алардын элементтери жана мүнөздөмөлөрү берилген.
Ар кандай аз кубаттуулуктагы гидроэлектростанциялар үчүн ылайыктуу гидротурбинага сунуштар
берилген.
Негизги сөздөр: гидроэнергетика; гидротурбина; гидроэлектрстанция; иштеп чыгуу; потенци-
ал; микрогидроэлектростанция; басым; агымдын көлөмү; кубаттуулук.
ОБЗОР ПОТЕНЦИАЛА ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ И ТУРБИННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ
МИКРОГЭС
В данной работе предметом исследования являются гидротурбинные системы для микро ги-
дроэлектростанций, а также большое внимание уделяется гидроэнергетическому потенциалу и воз-
можности их освоения. Электроэнергия имеет важное значение в социально-экономической сфере.
Гидроэнергетика является одним из наиболее подходящих и эффективных источников возобновляемой
энергии, которая обладает более чем столетним опытом выработки электроэнергии. Мощность и
конструкция - это два основных критерий, по которым классифицируются гидроэлектростанции. По
шкале мощности: крупная, малая и микрогидроэнергетика. По конструкции сооружения плотинные
с водохранилищем, русловые, гидроаккумулирующие, поточные. Целью исследования является обзор и
анализ потенциала гидроэнергетики, а также различных конструкций гидротурбин. Изучены различ-
ные типы гидравлических турбин. Дана классификация гидротурбин для малых и микрогидроэлектро-
станций. Представлены общие описания гидротурбин, их элементов и характеристик. Предлагаются
рекомендации по подходящей гидротурбине, для различных гидроэлектростанций малой мощности.
Ключевые слова: гидроэнергетика; гидротурбина; гидроэлектростанция; выработка; потен-
циал; микрогидроэлектростанция; напор; расход; мощность.
A REVIEW ON POTENTIAL OF HYDROPOWER AND TURBINE SYSTEMS FOR
MICRO HYDRO POWER PLANTS
In this article, the subject of research is hydro turbine systems for micro hydroelectric power plants,
and much attention is paid to the hydropower potential and the possibility of their development. Electricity
is important in the socio-economic sphere. Hydropower is one of the most suitable and ecient renewable
energy sources with over a century of experience in generating electricity. Capacity and construction are the
two main criteria by which hydropower plants are classied. On the scale of power: large, small and micro
hydropower. By design: dam structures with a reservoir, run of river, pumped storage, in stream. The purpose
of the study was to review and analyze the potential of hydropower, as well as various designs of hydro
turbines. Various types of hydraulic turbines have been studied. The classication of hydraulic turbines for
small and micro hydroelectric power plants is given. General descriptions of hydraulic turbines, their elements
and characteristics are presented. Recommendations are made for a suitable hydro turbine for various small
hydro power plants.
23
Технические науки
Key words: hydropower; hydro turbine; hydroelectric power station; production; potential; micro-
hydroelectric power station; head; ow rate; power.
Гидроэнергетика предлагает значительный потенциал для сокращения выбросов углеро-
да. По отчетам Международной ассоциации гидроэнергетики (IHA) установленная мощность
гидроэнергетики к концу 2020 года обеспечивала 16,8 % мирового электроснабжения, а гло-
бальная установленная гидроэнергетическая мощность достигла 1330 ГВт. Гидроэнергетика
остается крупнейшим источником возобновляемой энергии в электроэнергетическом секторе.
Гидроэнергетика является технически зрелой и экономически конкурентоспособной согласно
с текущими рыночными ценами на электроэнергию.
Гидроэнергетика имеет один из лучших коэффициентов преобразования среди всех из-
вестных источников энергии (КПД около 90%) [1]. Он требует относительно высоких началь-
ных вложений, но имеет длительный срок службы при очень низких затратах на эксплуатацию
и техническое обслуживание. Основными типами гидроэнергетических установок являются:
русловые, водохранилищные, гидроаккумулирующие (ГАЭС) и поточные технологии. Во всем
мире нет единого мнения о классификации гидроэлектростанций (ГЭС) по установленной
мощности (МВт) из-за разницы в политике развития в разных странах.
Общий мировой технический потенциал для производства гидроэлектроэнергии состав-
ляет 14576 ТВтч/год с соответствующей установленной мощностью 3721 ГВт, что примерно
в три раза превышает текущую установленную мощность. Существует значительный потен-
циал для доработки существующей инфраструктуры, в которой в настоящее время отсутству-
ют генерирующие агрегаты такие как уже существующие плотины, дамбы или каналы и т.д.
Из существующих 45000 крупных плотин только 25% используются для гидроэнергетики, а
остальные 75% используются для других целей (например, ирригация, борьба с наводнения-
ми, навигация и схемы городского водоснабжения) [1].
Международный журнал по гидроэнергетике и плотинам (IJHD) предоставляет данные,
наиболее полную инвентаризацию текущей установленной мощности и годовой выработки
Рисунок 1 - Технический потенциал гидроэнергетики региона с точки зрения годовой выра-
ботки и установленной мощности (Источник: IJHD)
24
ISSN 1694-5220. Наука. Образование. Техника, №2, 2022
гидроэнергетики, а также потенциала гидроэнергетических ресурсов. Атлас отображает три
показателя гидроэнергетического потенциала, все с точки зрения годовой выработки (ТВтч/
год): теоретический валовый, технически и экономически осуществимый. Технический по-
тенциал с точки зрения годовой выработки и расчетной мощности для шести регионов мира
показаны на рисунке 1, и приведены в таблице 1.
Представленные на рисунке диаграммы позволяют сравнить текущую годовую выработку
с техническим потенциалом для каждого региона и процент неразвитого потенциала по срав-
нению с общим техническим потенциалом. Эти круговые диаграммы показывают, что процент
неразвитого потенциала колеблется от 47% в Европе и Северной Америке, до 92% в Африке, что
указывает на большие возможности для развития гидроэнергетики во всем мире [1,3].
Таблица 1 – Технический потенциал шести регионов мира
Регионы мира
Технический потенциал,
годовая выработка
ТВтч/год
Технический потенциал,
установленная мощность
ГВт
Северная Америка 1659 388
Южная Америка 2856 608
Европа 1021 338
Африка 1174 283
Азия 7681 2037
Австралия/Океания 185 67
Мир 14576 3721
На рисунке 1 есть несколько примечательных особенностей данных. Северная Америка
и Европа, которые разрабатывают свои гидроэнергетические ресурсы более века, все еще об-
ладают достаточным техническим потенциалом для удвоения выработки гидроэнергии, что
противоречит представлению о том, что гидроэнергетические ресурсы в этих развитых ча-
стях мира исчерпаны. Азия, Южная Америка и Австралия с Океанией обладают сравнительно
большим техническим потенциалом, но доля неразвитого общего технического потенциала в
этих регионах довольно высока. Африка обладает большим техническим потенциалом и мо-
жет в 11 раз увеличить производство гидроэлектроэнергии.
Кыргызстан имеет большое количество крупных и средних рек, обладающих значи-
тельным гидроэнергетическим потенциалом, которые оцениваются в порядке 140-170 ТВ тч
(технический), а экономический - 60 млрд. кВтч. и обладает около 30% гидроэнергетических
ресурсов всего центральноазиатского региона. Ближайшие цели по реализации потенциала
включают в себя строительство оставшихся двух гидроагрегатов мощностью каждой по 120
МВт на Камбаратаинской ГЭС-2. Долгосрочные планы по развитию является строительства
Камбаратинской ГЭС-1 с мощностью 1860 МВт, Верхненарынского каскада из восьми ГЭС
мощностью 529,5 МВт, Куланакского каскада из пяти ГЭС мощностью 439 МВт, Казарман-
ского каскада из четырех ГЭС мощностью 1160 МВт, Средненарынского каскада из 2-х ГЭС
мощностью 2220 МВт, Суусамыр-Кокомеренского каскада из трех ГЭС мощностью 1305 МВт,
каскада на р. Атбаши состоящей из шести ГЭС мощностью 172,2 МВт, на р. Алабуке из четы-
рех ГЭС мощностью 414 МВт, на р. Чаткал 1800 МВт, каскада Сары-Джазских ГЭС из шести
ГЭС мощностью 1100 МВт и малых ГЭС в количестве 63 единиц с общей мощностью 258 МВт
[2].
Если строительство больших ГЭС требует больше времени, усилий и затрат, то для
создания и интеграции схем малой гидроэнергетики требуется гораздо меньше, особенно в
отдаленных районах, где другие источники энергии нежизнеспособны или экономически не
привлекательны, тем более в условиях Кыргызстана, где большую часть территории занима-
ют горы, и где много мелких речушек развитие малых и микроГЭС имеет большое социаль-
но-эконмическое значение. На микроГЭС эффективность выработки электроэнергии может
достигать 90% [4]. Гидравлические турбины вырабатывают очень надежную энергию с очень
25
Технические науки
простой конструкцией. Турбины бывают двух типов: активные и реактивные, каждая из кото-
рых подходит для различных типов водяного потока. При расчете новых лопастных систем,
где следует определить геометрические размеры, используется обратная задача теории реше-
ток. В общем виде для вязкой жидкости задача решается уравнением Навье – Стокса движения
вязкой несжимаемой жидкости [7]
Для плоской задачи в проекциях по осям координат упомянутое выше уравнение запи-
шется в виде
На рисунке 2 показаны различные типы гидротурбин.
Активные типы. В турбине Пелтона, показанной на рисунке (3а), водяные струи из со-
пел ударяют по ковшам, расположенным по окружности рабочего колеса, заставляя колесо
Рисунок 2 – Классификация гидротурбин для гидроэлектростанций класса микро
Рисунок 3 - Активные турбины:
а - Ковшова турбина Пелтона; б - Турбина Тюрго.
а б
dv
dt Fgradp v
12
(1)
dv
dt Fxv
xy
dv
dt Fyv
x
x
xx
y
y
1
1
2
2
2
2
22
2
2
2
yy
yx
(2)
26
ISSN 1694-5220. Наука. Образование. Техника, №2, 2022
вращаться. Колесо Пелтона имеет одну или несколько сопел. Данный тип гидротурбин отлич-
но подходят для высоких напоров и низких расходов. В последнее время турбины Пелтона
активно применяются для малых и микроГЭС. Для таких систем обычно используется одиноч-
ная водяная струя [5].
В 1920 году компания Gilbert Gilkes Ltd изобрела турбину Тюрго рисунок (3б) [5]. Они
обычно используются в качестве активных турбин с высоким и средним напором, но в послед-
нее время они могут использоваться для всех категорий напоров от 3 до 150 м. Турбина Тюрго
может справляться со значительно более высокими расходами воды, обеспечивая эффектив-
ную работу в более низких диапазонах напора, поскольку он может вырабатывать значитель-
ную мощность за счет использования большего количества воды при меньшем напоре.
Турбина с поперечным потоком Банки-Митчела и Оссбергера имеет форму барабана и
использует удлиненное сопло прямоугольного сечения, направленное против изогнутых ло-
пастей на рабочем колесе цилиндрической формы. Турбина с поперечным потоком позволяет
воде дважды проходить через лопасти. Во время первого прохода вода течет с внешней сто-
роны лопастей внутрь, а второй проход - изнутри обратно наружу [5]. Эти типы турбин могут
использоваться как в горизонтальном, так и в вертикальном положении (рисунок 4).
Реактивные типы. Турбина Фрэнсиса (РО-радиально-осевые, рисунок 5) имеет рабо-
чее колесо с фиксированными лопастями. У них нет сопел, лопасти радиально выступают от
периферии рабочего колеса. Вода в рабочее колесо поступает радиально вокруг него, а затем
выходит по оси, заставляя его вращаться. Данная турбина генерирует мощность за счет ком-
бинированного действия давления и движущейся воды. При низкой рабочей скорости эффек-
тивность таких турбин лучше, чем активных турбин. Помимо рабочего колеса, основными
компонентами являются спиральная камера, направляющий аппарат и отсасывающая труба.
Турбины Фрэнсиса имеют хорошие характеристики для микрогидроэлектростанций [5].
Пропеллерная турбина обычно имеет рабочее колесо с тремя-шестью лопастями, в кото-
рые вода попадает непрерывно с постоянной скоростью. Шаг лопастей может быть фиксиро-
ванным или регулируемым. Конструкция пропеллерной турбины изначально была мотивиро-
вана необходимостью разработки высокоскоростных машин для использования в ситуациях с
относительно низким напором, когда было бы неэкономично использовать РО турбину. Виктор
Каплан (1876-1934), понял, что изменение шага лопастей может сделать турбину с большим
диапазоном применения. В 1913 году Каплан разработал пропеллерную турбину с регулируе-
мым шагом, турбину Каплана (ПЛ-поворотно-лопастные). С тех пор рабочий напор турбины
Каплана был увеличен. Рабочее колесо турбины Каплана гидравлически аналогично рабочему
колесу пропеллерной турбины, за исключением того, что ступица больше, чтобы вмещать ме-
ханизм для изменения угла наклона лопастей. В микроГЭС применяется осевая гидротурбина
Рисунок 4 – Турбина Банки Рисунок 5 - Турбина Френсиса (радиально-осевая)
27
Технические науки
с низким напором в диапазоне от 1 м до 5 м [5].
На рисунке 6 показана схема бироторной гидротурбины для микроГЭС. Принцип её ра-
боты заключается в том, что в одном гидравлическом потоке работают два рабочих колеса,
которые расположены на одной оси один за другим и вращаются, при этом в разные стороны
относительно друг к другу. Гидротурбина 1 и гидротурбина 2 соединены с ротором и соответ-
ственно со статором генератора через вал, где вал одной гидротурбины располагается внутри
вала другой гидротурбины. Вращение статора и ротора в противоположные стороны обеспе-
чивает увеличение частоты пересечения магнитным полем электрической обмотки гидрогене-
ратора [6-7].
Другие типы. Мельница Баркера, схематически изображенная на рисунке 7, была пер-
вой реактивной турбиной с гидравлическим приводом и была изобретена примерно в 1740
году, и эта машина была дополнительно усовершенствована Пупилом в 1775 году, и Уайтлоу в
1839 году. Одним из усовершенствований этой турбины является подача воды в нижнюю часть
ротора. Подавая воду в турбину снизу, направленное вверх действие статического давления
поступающей питательной воды можно использовать для противодействия направленной вниз
гравитационной силе на движущиеся части, тем самым уменьшая осевую нагрузку на подшип-
ники, поддерживающие движущиеся части [5, 8, 9].
Турбина из разрезанной трубы представлена на рисунке 8. Идея реактивной турбины с
разрезанной трубой берет истоки из ветряной турбины Савониуса. Турбина изготавливается
путем разрезания пластиковой трубы на две половины, а затем смещения центров и соеди-
нения верхней и нижней пластин. В [5,9,11] представлены рабочие характеристики простой
гидротурбины из разрезанной трубы для выработки электроэнергии.
Кинетические, безнапорные гидротурбины рисунок 9, используют кинетическую энер-
гию в водных потоках для производства электроэнергии, а не потенциальную энергию напора
[10-12]. Они могут работать в реках, каналах, приливных водах или океанских течениях. Ки-
нетические системы используют естественный путь проточной воды, поэтому они не требуют
отвода воды через искусственные каналы, русла рек или трубы. На одном потоке можно после-
довательно разместить множество таких микроГЭС.
1 и 2 – лопасти турбины; 3 – подводящий трубопровод; 4 – корпус рабочей камеры; 5 – кор-
пус генератора; 6 – гидравлический рассекатель; 7 – наконечник; 8 – втулка; 9 – муфта.
Рисунок 6 – Бироторная гидротурбина
28
ISSN 1694-5220. Наука. Образование. Техника, №2, 2022
Высокоэффективный архимедов винт для выработки электроэнергии рисунок 10. Обе-
спечивает естественный сток реки и безвреден для рыб. Один из нескольких систем, которые
могут поддерживать или даже улучшать дикую природу в реке и вокруг нее. Гидроэнергети-
ческий винт использует падающую воду проходящего через него для вращения винта. Вра-
щающийся винт соединяется с генератором через редуктор для выработки электроэнергии.
Винт Архимеда применяют как микроГЭС и подходит для участков с низким напором (1 м), и
большим расходом [7].
Выводы:
1. Произведен обзор гидроэнергопотенциала, гидроэнергетических систем и технологий,
а также их турбин;
2. Гидроэнергетика является возобновляемым источником энергии, которая имеет боль-
шое значение для глобальных коммерческих, экономических и экологических проблем;
3. Изучены различные типы гидравлических турбин. В нем представлены общие описа-
ния турбинных систем, а также различных компонентов и характеристик;
4. Из приведенного выше исследования можно дать рекомендации по подходящей гидро-
турбине, которые можно использовать в различных проектах микроГЭС.
Список литературы:
1. Kumar, A. Hydropower. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change
Mitigation [Текст] / А.Kumar, T. Schei, A. Ahenkorah, R. Caceres Rodriguez // Cambridge University
Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA,2011.
Рисунок 9 – Безнапорная гидротурбина Рисунок 10 -Гидроэнергетический винт
Рисунок 7 – Мельница Баркера. Рисунок 8 - Турбина из разрезанной трубы
29
Технические науки
УДК: 551.521.:528.913
Акпаралиев Р.А.
к.т.н., доцент Кыргызского госуд. техн. универ., Кыргызская Республика
Медеров Т.Т.
к.т.н., доцент Кыргызского госуд. техн. универ., Кыргызская Республика
Обозов А.Дж.
д.т.н., профессор Кыргызского госуд. техн. универ., Кыргызская Республика
Ашимбекова Б.
аспирант Кыргызского госуд. техн. универ., Кыргызская Республика
РЕСУРСТАР КАРТАСЫН ТҮЗҮҮ ҮЧҮН КҮН РАДИАЦИЯСЫНЫН
МААЛЫМАТТАРЫН АНАЛИЗДӨӨ
Бул жумушта изилдөөнүн предмети болуп күн нурунун маалыматтары каралган. Жер үстүн-
дөгү актинометриялык байкоолордун жана спутник аркылуу өлчөнгөн күн нурунун салыштыруу маа-
лыматтары изилдөөнүн максаты болуп эсептелет. Ресурстук картаны түзүүдө күн нурунун көрсөт-
күчтөрү баштапкы маалыматтардын эң негизгилеринин бири болот. Бул жумушта жер үстүндөгү
өлчөнгөн күн нурунун маалыматтары жана спутник аркылуу өлчөнгөн маалыматтары белгилүү бир
орунда каралат. Белгилүү бир жыл үчүн күн радиациясынын мүнөздөмөлөрү берилген. Ошондой эле,
таблица түрүндө маалыматтар. Ар кандай булактардан алынган күн радиациясынын маалыматта-
рына салыштырма анализ жасалган.Күн электр станциясын долбоорлоодо толук талдоо жана изил-
дөө жүргүзүү үчүн сунушталган рельефте күн радиациясынын жер үстүндөгү өлчөөлөрүн жүргүзүү
зарыл экендиги аныкталды, бирок ресурстук карталар күудүн потенциалдуу рельефине алгачкы алдын
ала баа бере алат. Бул иштин анализинин негизинде Кыргыз Республикасы үчүн күн радициясынын
ресурстук картасын түзүүдө терең талдоо жана изилдөө керекизилдөө керек болгон так баштапкы
өлчөнгөн маалыматтар керек экендиги аныкталган. Актинометриялык байкоолор менен күн ради-
2. Министерство энергетики Кыргызской Республики: официальный сайт [Электронный ресурс]. –
Бишкек. – Режим доступа: http://www.mep.kg/ (дата обращения: 12.12.2021).
3. BP, British Petroleum Statistical Review of World Energy.- London: UK, 2021.- 70 pp.
4. Медеров, Т.Т. Микрогидроэлектростанция с использованием гидроворонки [Текст] / Т.Т. Медеров,
А.Дж. Обозов, Женишбек у. К. // Матер. НТК Молодой ученый – вызовы и перспективы.- Б.: Библи-
ография, 2017.- С. 285–290.
5. Yasser, M. Ahmed et al. A Review on Micro Hydro Gravitational Vortex Power and Turbine Systems
[Текст] / М.Yasser, Ahmed // Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering),2014.- С1–7.
6. Пат. 1748 КР, МПК F03B13/00, F03B3/04. Микрогидроэлектростанция [Текст] / Т.Т. Медеров, А.
Дж. Обозов, Р.А. Акпаралиев, Р.Э. Исаев, Р.М. Ботпаев.; Бишкек.– № 20140049.1; заявл. 08.05.2014 ;
опубл. 30.06.2015, Бюл. № 6. – 8 с. : ил.
7. Медеров, Т.Т. Исследование и разработка бироторной микрогидроэлектростанции [Текст]: автореф.
дис. … канд. техн. наук.: 05.14.08 / Т.Т. Медеров. - Бишкек, 2017. - 150 с.
8. Abhijit, Date. Investigating the Potential for Using a Simple Water Reaction Turbine for Power Production
From Low Head Hydro Resources [Текст] / Date Abhijit, Date Ashwin, Aliakbar Akbarzadeh // Energy
Conversion and Management.- 2013.- Рр. 257–270.
9. Abhijit, Date . Design and Cost Analysis of Low Head Simple Reaction Hydro Turbine for Remote Area
Power Supply [Текст] / Date Abhijit, Aliakbar Akbarzadeh // Renewable Energy,2009. – Рр. 409–415.
10. [Электронный ресурс]. https://www.energovector.com/energoznanie-potochnye-ges.html (дата обраще-
ния: 31.12.2021).
11. Пакирдинов, Р.Р. К созданию микроэлектростанций с вращающимися статором [Текст] / Р.Р. Пакир-
динов, Б.Т. Кадырбекова, Р.Т. Осмонбеков // Наука. Образование. Техника. – Ош: КУУ, 2011. – №3,4.
– С. 93 – 96.
12. Нурмаматов, А.Т. Микро ГЭСтеги колдонулуучу гидротурбиналар [Текст] / А.Т. Нурмаматов // На-
ука. Образование. Техника. – Ош: КУУ, 2013. – № 1. – С. 64 – 66.
DOI:10.54834/16945220_2022_2_22
Поступила в редакцию 25. 03. 2022 г.
