Відкрити головне меню

Безгреблева гідроелектростанція на основі напівзанурених гідротурбін

Безгреблева гідроелектростанція на основі напівзанурених гідротурбін (англ. Damless hydropower plant on the basis of semi-submerged hydro-turbines) - комплекс споруд та обладнання з використанням секційних напівзанурених гідротурбін різної конструкції, з різними способами їх кріплення (фіксації) у водяному потоці, які дозволяють перетворювати енергію плинної води в електрику, не використовуючи греблі. Такі гідротурбіни використовують енергію води лише частини русла, тому не перешкоджають вільному стоку води, проходженню річкових суден, міграції риби, не забруднюють басейн і не утворюють інших екологічних проблем для живих організмів.

Гідроагрегат на основі секційної напівзануреної гідротурбіни.

Зміст

Загальна схемаРедагувати

Безгреблева гідроелектростанція на основі напівзанурених гідротурбін - комплекс споруд та обладнання з використанням секційних напівзанурених гідротурбін різної конструкції, з різними способами їх кріплення (фіксації) у водяному потоці, які дозволяють перетворювати енергію плинної води в електрику, не використовуючи греблі. Агрегат з напівзануреною гідротурбіною включає: гідротурбіну HT, трансмісію TRN, редуктор RD, гідрогенератор (електрогенератор) НG та електричний адаптер EА. Гідротурбіна складається з певного числа NS однакових секцій 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, посаджених на спільну вісь SH. Кожна секція турбіни є ротором, на зовнішній частині якого по діаметру закріплені лопаті.

Потужність секційної напівзануреної турбіни визначається геометричними розмірами її конструктивних елементів: радіусом ротора RHT (діаметром 2RHT), шириною лопатей (секції) LBL, кутовою відстанню між лопатями Δα, лінійним зазором між секціями ΔS та числом секцій NS. Величина зазору між секціями ΔS вибирається із умови максимального використання напору водяного потоку. Площа поперечного перетину водяного потоку АHD зв'язана з довжиною гідротурбіни LHT виразом:

АHD = LHT·RHT = NS·(LBL + ΔS)·RHT.                   

Механічна вісь SH жорстко поєднує між собою секції турбіни й передає крутний момент від турбінної системи НТ через редуктор RD та трансмісію TRN на гідрогенератор НG. Редуктор RD збільшує кутову частоту обертання ω ротора гідрогенератора НG. При зміні водяного напору може використовуватися система стабілізації швидкості обертання ротора гідрогенератора. Гідрогенератор НG є електродинамічною системою, яка перетворює кінетичну енергію обертання ротора гідротурбіни і, відповідно, ротора гідрогенератора в електричну енергію. Електричний адаптер EА формує параметри електричного струму (силу струму і, напругу u та частоту f), які придатні для використання його споживачами та/або спрямування в електричну мережу.

Агрегат на основі секційної напівзануреної гідротурбіни функціонує наступним чином. Гідротурбіна НТ встановлюється в потоці води WF так, що половина її ротора занурена у воду, вісь обертання ротора гідротурбіни SH співпадає з поверхнею води, а потік води спрямований перпендикулярно вісі. В процесі роботи потік води тисне на лопаті ротора гідротурбіни, спричиняючи його обертання навколо осі. Кінетична енергія водяного потоку перетворюється в кінетичну енергію обертального руху ротора гідротурбіни і ротора гідрогенератора, електродинамічна система гідрогенератора НG перетворює кінетичну енергію ротора в електричну енергію. Електричний адаптер EА формує параметри електричного струму (силу струму і, напругу u та частоту f), які роблять його придатним для використання споживачами та/або для спрямування в електричну мережу.

Енергетичні параметри безгреблевої ГЕСРедагувати

Потужність агрегату PEL на основі секційної напівзануреної гідротурбіни визначається розмірами її конструктивних елементів (радіусом RHT, шириною лопатей LBL, числом секцій NS, зазором між секціями ΔS) та фізичними параметрами робочого тіла (густиною води ρHD та швидкістю водяного потоку vHD). З урахуванням виразів (7) та (9) маємо [3]:

PEL = kHA·PHD = kHT·kHG·PHD =

       = 0,5·kHT·kHG·ρHD·NS·(LBL + ΔS)·RHT·vHD3.

З метою підвищення потужності агрегати на основі секційних гідротурбін можуть встановлюватися каскадами й утворювати безгреблеві ГЕС. Потужність каскадної гідроелектростанції PCS визначається як сума електричних потужностей окремих гідроенергетичних агрегатів:

PCS = 0,5·kHT·kHG·ρHD·NCS·NS·(LBL + ΔS)·RHD·vHD3.  

де NCS – число агрегатів у каскаді ГЕС.

Види кріплення безгреблевих ГЕС на основі напівзанурених гідротурбінРедагувати

Для  того, щоб повністю використати силу водяного потоку, гідротурбіни встановлюються у потоці поперек річки і закріплюються на понтоні або консольно. Кожен тип кріплення має свої переваги й недоліки.

 
Безгреблеві гідроелектростанції з понтонним (a) та консольним (b) кріпленням напівзанурених гідротурбін.

Безгреблева ГЕС з понтонним кріпленням напівзануреної гідротурбіни складається з понтону PN, секційної гідротурбіни HT, гідрогенератора HG, елементів кріплення MT та якорів AN. Конструкція понтонного типу дозволяє транспортування гідроенергетичного обладнання у разі необхідності змінити місце виробництва електричної енергії. Понтони «прив'язані» до поверхні води рівновеликими силами: ваги гідроагрегату та сили виштовхування води, які діють на понтон, таким чином, понтонний спосіб кріплення забезпечує адаптацію глибини занурення гідротурбіни у разі припливу води. Стале кутове положення гідротурбіни у водяному потоці забезпечується за допомогою якорів AN.

Безгреблева ГЕС з консольним кріпленням напівзануреної гідротурбіни є стаціонарною спорудою. Консоль CL є здовженою металевою балкою, жорстко закріпленою одним кінцем до бетонної бази BS. Другий кінець балки розташований над поверхнею води, до нього кріпиться гідротурбіна HT з гідрогенератором НG. Для досягнення більшої жорсткості консоль спирається на додаткову опору РLN. Консольне кріплення забезпечує надійну фіксацію гідротурбіни у водяному потоці, але звужує можливість зміни місця

 
Схема каскадної безгреблевої ГЕС з понтонним кріпленням напівзанурених гідротурбін.

виробництва електроенергії. Адаптація гідротурбіни відносно поверхні води виконується по показанням датчика рівня води.

Гідроагрегати каскадної ГЕС з понтонним кріпленням напівзанурених гідротурбін встановлюються вздовж течії один за одним, на відстанях, котрі забезпечують відновлення ламінарного потоку води після проходження ним кожної гідротурбіни.

Безгреблеві ГЕС на основі секційних напівзанурених гідротурбін прості в обслуговуванні і надійні в роботі. Недоліками секційних напівзанурених гідротурбін є відносно великі габарити та видимість у полі зору.

Див. такожРедагувати

Джерела і літератураРедагувати

  • Сидоров В.І. Технології гідро- та вітроенергетики. - Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2016. - 166 с.
  • Сидоров В.І. Безгреблеві гідроелектростанції на основі занурених та напівзанурених гідротурбін / Промислова електроенергетика та електротехніка. – 2017. - №3 (105). - с. 18-26
  • Сидоров В.І. Вітротурбінні технології гідроакумулювання / Промислова електроенергетика та електротехніка. – 2016. - №6. - с. 14-24
  • Сидоров, Василь (2016). Зваблення скіфа (Українська). Черкаси: Вертикаль. Видавець Кандич С.Г. с. 316. ISBN 978-966-2783-93-3