Проблема развития нетрадиционной энергетики в демократической республике Конго

Гайтова Тамара Борисовна,

доктор технических наук,

Сангамай Муйемби,

аспирант.

Кубанский государственный технологический университет.

Современная электроэнергетика Демократической Республики Конго основана главным образом на использовании богатых гидроэнергоресурсов рек Лиалаба, Луфира, Инкиси, Конго и др. Общая установленная мощность всех электростанций страны составляет около 2,4 млн кВт. Большую часть производства электроэнергии страны дают 8 ГЭС: Инга-1 – в нижнем течении реки Конго мощностью около 351 тыс. кВт, Инга-2 (1424 тыс. кВт), Нсеке (258 тыс. кВт) и Нзило (108 тыс. кВт) на реке Луалаба, Муандигуша (72 тыс. кВт) и Кони (42 тыс. кВт) на реке Луфира, Зонго (75 тыс. кВт) на реке Инкиси, Рузизи-1 (29 тыс. кВт). При этом часть вырабатываемой электроэнергии экспортируется в соседные страны (Замбия, Бурунди, Ангола, Центральная Африканская Республика, Конго-Браззавиль). Дальнейшее развитие энергетики бурно развивающейся страны сопряжено со значительными трудностями, связанными с ограниченностью запасов гидроэнергоресурсов с одной стороны, и различных видов топлива (нефти, газа, угля и пр.) с другой.

В связи с этим остро встает вопрос о поиске новых природных источников энергии для дальнейшего развития электроэнергетики страны. Анализ этого вопроса показывает, что в такой южной стране как Конго (через которую, кстати проходит экватор) около трёхсот дней в году являются солнечными, излучая на землю астрономические запасы солнечной энергии, дополняемые не менее значительными запасами ветровой энергии. Отсюда следует целесообразность вопроса комплексного использования этих двух мощных естественных видов энергии с целью выработки суммарной электрической энергии.

Проблема заключается в отсутствии подобных электромеханических преобразователей энергии – генераторов. Современные общеизвестные генераторы электрической энергии (переменного и постоянного тока) преобразуют, как известно, подаваемую на вход (на вал) механическую энергию в электрическую, соответственного переменного или постоянного тока, а потому являются малоэффективными при их использовании в нетрадиционной энергетике.

Решением вопроса является использование двухмерной электрической машины – генератора (ДЭМ-Г), разработанной в Кубанском государственном технологическом университете (КубГТУ) под руководством д.т.н., профессора Гайтова Б.Х. [1]. ДЭМ-Г, потребляя одновременно энергию солнца, преобразованную в электрическую энергию посредством фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), и энергию ветра, преобразованную в механическую энергию вращения ротора посредством ветролопастей, складывает их и преобразует в суммарную электрическую энергию за вычетом естественных (электрических, механических и прочих добавочных) потерь в самой машине.

Судя по темпам освоения различных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировом масштабе, представляется, что подобная – нетрадиционная энергетика – это не альтернатива существующей энергетике, а энергетика будущего, причём недалекого. Помимо решения энергетической проблемы она активнейшим и положительным образом влияет на решение трёх глобальных проблем человечества: энергетической, экологической и продовольственной. Поэтому неслучайно, что в разных странах уровень финансирования работ по возобновляемой энергетике составляет 10 – 30% от общего финансирования работ по энергетике в целом.

Для республики Конго, несущей в себе все черты развивающихся стран и обладающей, как известно, немалыми запасами природного органического топлива при населении всего около 0,5% от населения земного шара, создается иллюзия, что энергетический кризис ей не грозит. Однако это далеко не так, что подверждается острейшими энергетическими ситуациами, в ряде её регионов.

ДЭМ-Г (рис.1) содержит [2-3] якорь 1 машины постоянного тока с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4 с щетками 5, к которым подключены провода 6. В пазах 3 размещена также трёхфазная генераторная обмотка переменного тока 21, соединенная с контактными кольцами 22 посредством проводов 23. Щетки 24 посредством проводов 25 связывают обмотку 21 с сетью переменного тока с целью передачи вырабатанной электроэнергии потребителям. В корпус 7 впрессован шихтованный магнитопровод ротора 8, в пазах которого уложена обмотка 9 по типу роторных обмоток асинхронных двигателей с фазным ротором. Обмотка 9 подключена проводами 10 к кольцам 11, изолированным от корпуса диэлектрическими прокладками 12, а щетки 13 связаны с трёхфазным регулируемым тиристорным преобразователем (ТП) 19 проводами 14. Подшипниковые щиты 15 с подшипниками 16, 17 и валом 18 обеспечивают концентрическое расположение якоря 1 и ротора 8 и возможность их одновременного вращения. Трёхфазный двухполупериодный выпрямитель 19 соединен с блоком коммутации (БК) 20.

Рис.1. Общий вид стабилизированной радиальной ДЭМ-Г.

При подаче постоянного тока (например, от фотоэлектрических преобразователей – ФЭП) на зажимы 6 через щетки 5 (рис.2) и коллектор 4 обмотка 2 якоря 1 обтекается током. При этом создается магнитный поток реакции якоря Ф_а (с полюсами Na-Sa). Если при этом ротор 8 с обмоткой 9 придет во вращение под действием некоторого приложенного извне момента (например, ветротурбины, газотурбины и т.д.), то под действием магнитного потока Ф_а в обмотке 9, как в обычной обмотке асинхронного двигателя, по закону электромагнитной индукции индуцируется ЭДС e_a . Под действием этой ЭДС в обмотке ротора протекает электрический ток, создающий магнитное поле Ф_р с полюсами Np-Sp. При взаймодействии потоков Ф_а и Ф_р якорь машины придет во вращение с частотой n_a.

Рис. 2. К принципу работы ДЭМ.

            При этом частота вращения якоря определяется зависимостью

,                                                                                                       (1)

где n_a - частота вращения якоря, об/мин;

U_a - подводимое к якорной обмотке напряжение от ФЭП, В;

Ra и I_a - активное сопротивление и ток в обмотке якоря, Ом и А;

C_e – постоянный коэффициент;

Ф_δ – магнитный поток машины, Тл.

ЭДС обмотки ротора

 ,                                                                                     (2)

где В_δ – магнитная индукция в воздушном зазоре ДЭМ-Г;

L_p – активная длина проводника обмотка ротора;

V – скорость перемещения проводника обмотки ротора;

D_p – диаметр ротора;

n_p – частота ротора.

Ток в обмотке ротора

 ,                                                                       (3)

где Х_р = 2πnL_p – индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора.

Зависимости тока и магнитного потока, а также частоты вращения якоря приведены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости I_p(n_p), Ф_p(n_p), n_a(n_p) в ДЭМ-Г.

При постоянном напряженнии на зажимах якоря получаем

 ,                                                                         (4)

С целью стабилизации частоты выходного напряжения при выходной частоте вращения ДЭМ-Г выход обмотки 9 ротора 8 (рис. 1) с помощью соединительных проводов 10 и 14, трёхконтактных колец 11 и трёх щеток 13 включен на вход трёхфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя 19. Регулирование последнего может быть автоматизировано, например, функции скорости.

Выпрямленное напряжение с выхода выпрямителя включается в цепь последовательно с ФЭП. Регулирование выпрямителя производится так, что изменение добавочной ЭДС будет отслеживать изменение скорости вращения ротора. При этом обеспечивается непрерывная стабилизация частоты вращения якоря ДЭМ-Г, а потому отпадает необходимость в дополнительном устройстве для её стабилизации.

Уровень выходного трёхфазного напряжения ДЭМ-Г прямо пропорционально потокосцеплению ротора и при изменении её скорости вращения в пределах 3:1 изменяется (исходя из экспериментальных данных) не более чем на 5 – 6%, что вполне приемлемо для большинства потребителей электрической энергии.

Представляется, что разработанная в КубГТУ (Россия) двухмерная электрическая машина представляет существенный интерес для дальнейщего развития электроэнергетики Конго, богатой природными запасами солнечной и ветровой энергии.

Литература

1. Пат. РФ № 2091967, 6 H 02 К 23/44. – 27.09.97 г. Бюл. № 27. двухвходовая электрическая машина. // В.В. Красавин, Т.Б. Гайтова, Б.Х. Гайтов.

2. Гайтова Т.Б., Развитие теории и практики электромеханических комплексов для нетрадиционной энергетики. Дис. на соискание ученой степени д.т.н., Москва, 2006. – 306с.

3. Пат. РФ № 2332775. Двухмерная электрическая машина – генератор. // Б.Х. Гайтов, А.В. Самародов, Т.Б. Гайтова, Л.Е. Копелеевич.

Поступила в редакцию 10.03.2009 г.