ГИДРОЭНЕРГЕТИКА
Инж. Лисняк Станисла Афанасьевич
В последнее время появилось
много разработок малогабаритных
гидроэлектростанций - МГЭС для
«индивидуального» использования. Ранее, в
50…60-х гг прошлого века, благодаря
изобретателю Б. С. Блинову,
были разработаны: 1. - «гирляндые» ГЭС
для малых рек; 2. – «рукавные» ГЭС
даже для малых ручьёв с дебетом воды не
менее 50 литров/сек.
Гирляндные ГЭС
строились по двум типам: поперечному течению
и продольному Фиг.14,:
Фиг.14. Схема
поперечной гирляндной ГЭС. |
1. Подшипник;
2. Опора;
3. Металлический трос;
4. Гидроколесо (турбина);
5. Электрогенератор;
6. Уровень верхнего течения реки;
7. Русло реки. |
В качестве гидроколёс
(роторов), Б. С. Блинов использовал
несколько «крыльчаток», изготовленных из
тонкого металлического листа, диаметром
около полуметра, по типу детской игрушки –
пропеллера из квадратного листа бумаги. В
качестве гибкого вала использовал обычный
стальной трос диаметром 10…15 мм. На такой
ГЭС, изобретатель получал с одного
гидроколеса до 1,5…2,0 квт, при течении реки
около 2,5 метра/сек!
Если опоры 2 с подшипниками
1 и генератором 5 установить на дно реки, и
подшипники с генератором поднять выше уровня
реки, а всё это сооружение разместить по оси
течения, то результат, практически будет тот
же. Эта схема применяется для очень «узких
речек» но с глубиной более 0,5 метра.
Фиг.15. Схема
«рукавной» Микро – ГЭС. |
Если есть в наличии
ручей, с дебетом воды не менее 50
литр/сек, то Б. С. Блинов, строил
небольшую плотину. В плотине делал
отверстие, к которому прикреплял
трубу-шланг, прокладывал его с
перепадом высот от плотины до
генератора не менее 4.0…5.0 метра.
Фиг.15.:
1. Ручей;
2. Уровень запруды;
3. Плотина;
4. Труба – рукав;
5. Гидротурбина;
6. Электрогенератор.
|
В микро-гэс по обеим
схема Б. С. Блинов, в качестве
генераторов устанавливал обычные
трёхфазные асинхронные электродвигатели, с
реактивным самовозбуждением от параллельно
подключенных к обмоткам конденсаторов, из
расчета 7 мкф на 100 ватт мощности одной
обмотки. Результат – замечательный, т.к.
форма напряжения и тока получалась даже
лучше, чем при использовании синхронных
генераторов!
В 70 –е годы прошлого века,
благодаря изобретению Б. С. Блинова,
даже предприятия сельскохозяйственного
машиностроения выпускали серийно целый ряд
таких рукавных микро-гэс от 1 до 100
квт.
Эксперимент, настоящий
эксперимент, в большинстве случаев идет
впереди теории, которой остается только
объяснить его результаты. Так произошло и в
случае, описанном в 1989 году немецким
журналом "Пространство и время".
Студент-энергетик Людвиг Гербранд в
1930 году был направлен на преддипломную
практику на гидроэлектростанцию
Рейнфельден, где монтировали новый
электрогенератор взамен износившегося.
На этой электростанции, построенной еще в
конце XIX века, не было высокой плотины, а
просто часть потока реки Рейн отводилась
дамбой к турбогенераторному залу.
Студент обратил внимание на то, что
турбогенераторы, пропуская через себя всего
50 куб. м воды в сек., производят
электроэнергии столь же много, как на
соседней новой гидроэлектростанции в
Рыбурге, имеющей высоту напора воды 12 м,
вырабатывают огромные турбогенераторы
с пропускной способностью 250 куб.м/сек.
Заинтересовавшись этим парадоксальным
фактом, Гербранд понял, что причина - в
динамическом напоре потока воды, подводимой
к турбине.
Перегораживая реку высокой
плотиной, проектировщики стремятся создать
как можно больший гидростатический напор
воды.
При перепаде уровней воды H
гидростатическая (гравитационная) энергия,
запасенная водой за плотиной, составляет
Епот = mgH
На эту энергию и
рассчитывают проектировщики, возводя плотину
и подводя воду сверху вниз по изогнутому под
углом в 90 градусов водоводу к турбине, где
потенциальная энергия столба воды
превращается в кинетическую энергию движения
воды Ek =mV2/2
подаваемой на лопатки турбины. При этом
скорость потока воды не может превысить
величину
V = √ 2gH. (Здесь g = 9,8 м/с2 -
ускорение свободного падения у Земли).
Повышение мощности турбин
считалось возможным только за счет
увеличения их пропускной способности. Но
последняя ограничена не только конструкцией
турбины, и величиной стока реки. А вот на
старой электростанции не было высокой
плотины, зато дамба захватывала самую
быструю часть течения реки и по сужающемуся
каналу подводила его прямо к турбинам. При
этом в сужающемся канале скорость потока,
подаваемого на лопатки турбины, еще
возрастала и оказывалась гораздо большей,
чем на новой электростанции с её высокой
плотиной. А кинетическая энергия потока,
является квадратичной функцией от его
скорости! Если скорость потока в 2 раза
больше, то энергии вырабатывается в 4 раза
больше при одном и том же расходе воды. Но в
действительности турбогенераторы старой
электростанции вырабатывали электроэнергии
еще больше, чем показали студенту эти
простые расчеты. Откуда она берется?
Обеспокоенный студент пишет
письмо своему научному руководителю
профессору Финзи. Тот ответил следующее: "Не
волнуйтесь. Генератор работает без
проблем... Мы инженеры электрики. Поэтому
остальные вопросы не наши, чтобы их решать.
Оставьте их гидравликам..." Это предисловие
является яркой иллюстрацией эффективности «свободнопоточных»
ГЭС в сравнении с «гравитационными» -
плотинными – водопадающими!
Компания Marine Current
Technologies построила первую в мире
коммерческую приливную электростанцию
SeaGen у побережья Северной Ирландии.
Эта станция спроектирована как
свободнопоточная ГЭС. Принцип работы
приливной электростанции сходен с
работой ветрогенератора, только
вместо ветра движителем турбин является
подводное течение. Особенность таких
установок – высокая предсказуемость режима
работы, ведь в отличие от капризного ветра
приливы и отливы постоянны. Это очень важно
для интеграции в местные сети, испытывающие
значительные суточные перепады уровня
энергопотребления.
Фиг.16. Свободнопоточная
приливная ГЭС.
2 ротора турбин SeaGen
имеют по две лопасти, 16 метров в диаметре и
оптимальную скорость вращения 14 оборотов в
минуту. И расчитаны на мощность 1,2
мегаватта! По словам технического директора
Marine Current Technologies Питера
Френкеля (Peter Fraenkel), двухроторный
дизайн установки диктуется небольшой
глубиной моря.
Лопасти роторов оснащены
системой управления и могут поворачиваться,
меняя угол атаки. Роторы, при необходимости,
можно замедлять или вовсе останавливать для
обслуживания. Роторы могут устанавливаться
как в местах приливных течений, так и в
местах постоянных течений!
Роторы закреплены на
горизонтальной балке, установленной на
четырехточечную опору. Опора может менять
высоту над морским дном, поднимая установку
для ремонта и обслуживания.
Компания Marine Current
Technologies не собирается
останавливаться на достигнутом и планирует
постройку 10,5-мегаваттной приливной
электростанции на побережье Северного
Уэльса в кооперации с одной из немецких
компаний. По словам Френкеля, разработка
системы уже началась, и в течение трех лет
проект будет осуществлен.
Английские инженеры
рассчитали ( а до этого я тоже лет 50 тому
назад), что для свободнопоточных роторов
гидростанций эффективнее всего схема 2…3
лопастного пропеллера. И это совершенно
очевидно из простейших расчётов. Ниже
представлены мощности, вырабатываемые 2-х
лопастным ротором, с ометаемой площадью 1,0
м2, при кпд =0,5 и при течении
воды со скоростью:
V, m/cek: |
1,0 |
2,0 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
10,0 |
P, kvt: |
2,45 |
9,80 |
22,05 |
39,20 |
61,25 |
245,00 |
Как видно из представленной
таблички, перспективы использования свободно
- поточных, пропеллерных роторов, в качестве
гидротурбин весьма заманчивы!
Если необходимо уменьшить
диаметр пропеллера, то мощность уменьшится в
квадратичной зависимости от отношения
диаметров. Или изменится в квадратичной
зависимости от отношения скоростей течения!
Очень простые расчеты, значительно проще чем
для винтов корабля! Ошибка составит не более
12%. Несколько лет назад в «науке и жизнь»,
в Журнале «Изобретатель и рационализатор», и
на нескольких сайтах появились публикации об
изобретении мини-ГЭС Н. Ленева.
Сущность которой изображена
на Фиг. 17.:
|
|
Фиг. 17.и фото.
Свободнопоточная мини – БГЭС
Н.Ленева.
1. - Пластина; 2. –
Приводной ремень – цепь Галя; 3. –
Звёздочка; 4 – Корпусные
конструкции. |
|