ENERGY – мікроГЕС для водовідливів та іригації

Вільнопоточні мікроГЕС типу "Водяне колесо"

МікроГЕС для водовідливів та іригації. Кажуть, що дуже приємно дивитись коли тече вода, горить вогонь, шумлять гаї та працюють інші люди. Так як ми вже давно займаємось водними технологіями, то замислились, а чого це так просто тече вода і не виконує ніякої корисної роботи. Особливо актуальним це питання стало сьогодні, коли вартість електричної енергії постійно зростає.

Наразі більшість гідроелектростанцій для своєї роботи використовує різницю висот між початковим рівнем води (верхній б’єф) та нижньою відміткою (нижній б’єф), генеруючи електрику.  Однак це потребує або використання природного рельєфу, або будівництво спеціальної греблі. Щодо рельєфу, то більша частина України є рівниною, а будівництво греблі по-перше, дуже недешеве задоволення, по-друге – може привести до екологічних катастроф як глобального, так і місцевого характерів.

Тому дуже актуальним стає питання побудови таких гідроелектростанцій, які б могли використовувати кінетичну енергію потоку води. Варто відзначити, що не ми перші зацікавились цим питанням. Так ще наприкінці 19-го сторіччя проектувались та будувалися різні системи генерування електрики, які використовували тільки кінетичну енергію потоку води. Однак, з розвитком систем централізованого енергопостачання ці розробки втратили актуальність.

Однак, на наш погляд, настав час повернутись до цього питання.

Кінетична енергія потоку

Кінетична енергія потоку води – що це звір і як її використати для отримання електрики. З шкільної лави нам відомо, що енергія є мірою руху і взаємодії будь-яких об’єктів в природі. Вона характеризує здатність об’єкта виконувати роботу. Кінетична енергія є частина енергії фізичної системи, яку вона має завдяки руху. Величина кінетичної енергії залежить від маси тіла та його швидкості. У загальному вигляді кінетична енергія тіла дорівнює половині від добутку маси на квадрат швидкості, тобто

Але визначити масу потоку води доволі важко. Наприклад, як визначити яку масу має вода у річці? Тому для оцінки кінетичної енергії потоку води використовують поняття потужності водяного потоку, який показує скільки витрачено кінетичної енергії за одиницю часу:

Беручи до уваги, що при постійній швидкості потоку (v = const) похідна d(v 2)/dt = 0, потужність водяного потоку буде визначатися наступною формулою:

де q = dV/dt – миттєві витрати води, м3/с; p – питома вага води, 1000 кг/м3.

Таким чином, потужність водяного потоку пропорційна миттєвим витратам води і квадрату швидкості течії. Так потужність водяного потоку з миттєвою витратою q = 1 м3/с (3600 м3/годину) при швидкості течії v = 1 м/с становитиме 500 Вт або 1 кВт. При швидкості течії 2 м3/с (яку досить легко відтворити у штучних каналах створюючи уклін S = 0,005) потужність потоку становитиме 2000 Вт (2 кВт).  

Наступною задачею стає створення такого генератора енергії, який би з максимальною ефективністю перетворював таку низьку кінетичну енергію водного потоку в електричну.

КОНСТРУКЦІЇ ГІДРАВЛІЧНИХ ТУРБІН

Більшість конструкцій гідравлічних турбін, які використовуються для отримання електричної енергії, здатні перетворювати енергію потоку води у  механічну при достатньо високих значеннях швидкості потоку, або, як це прийнято у гідротехніці, при високих значеннях гідравлічного напору H.

Гідравлічний напір пов’язано зі швидкістю течії води наступним співвідношенням:

де v 2 – швидкість течії, м/с, g = 9,81 м/с2 – гравітаційна константа.

Це співвідношення випливає з рівності кінетичної та потенційної енергій, а саме

Згідно цієї формули гідравлічний напір потоку води, яка тече зі швидкістю 2 м/с, становить 0,2 м, що явно недостатньо для більшості низькопотенційних гідротурбін.

Так, наприклад, осьові гідравлічні турбіни стійко працюють при значеннях H понад 4 м. Поперечно-осьові гідротурбіни (турбіна Банки – Мітчелла або турбіна Оссбергера) здатні виробляти енергію при перепадах висот (гідравлічному напорі) не менше 1,5 … 2 м. Для нормальної роботи вихрових та гвинтових (шнекових) гідротурбін гідравлічний напір повинен бути не менше 1,5 м.

Так що практично єдиним типом гідротурбін, які можуть бути використані для перетворення кінетичної енергії води в електричну, можуть бути старі, як світ, водяні колеса. Або турбіна інженера Савоніуса, яку він розробив для перетворення енергії вітру. Або турбіна Дар’є, яка теж розроблялась для підкорення енергії вітру.

Вибір тієї або іншої моделі гідротурбіни визначається умовами її використання та уподобаннями розробників.

ГІДРАВЛІЧНА ТУРБІНА ІНЖЕНЕРА САВОНІУСА

Початково турбіна інженера Савоніуса розроблялася з метою перетворення енергії вітру у електричну енергію. Вона складається двох або кількох однакових напівциліндричних лопатей. Кількість лопатей, їх конфігурація та умови розташування залежать від багатьох чинників і вибираються в залежності від конкретних умов. Однією з переваг цієї турбіни є те, що її можна розміщувати як горизонтально поперек течії, так і вертикально. Ще однією з переваг цієї турбіни є її компактність та можливість максимального використання потоку води.

Схема роботи ротора Савоніуса

Класичний ротор інженера Савоніуса

Принцип діє гідротурбіни засновано на крутильному моменті потоку води, що набігає. Потраплячи всередину гідроциліндру вода тисне на ввігнуту частину лопаті та передає їй частину своєї енергії. Враховуючи, що лопаті розміщені всередині гідротурбіни з деяким ексцентриситетом, потік води створює крутильний момент, який приводить до обертання гідротурбіни навколо своєї осі.

З математичною моделлю гідротурбіни можна ознайомитись за посиланням: Savonius turbine 2D RaNS simulation by OpenFOAM – YouTube

КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ

Конструктивною особливістю гідротурбіни Савоніуса, є можливість її сталої роботи у турбулентному режимі, що дозволяє використовувати послідовне розміщення кількох таких гідротурбін в одному потоці води. При цьому відстань між двома сусідніми гідротурбінами може бути мінімальною. Річ у тому, що при обертанні ротора навколо своєї осі, лопаті створюють вихрову течію води, яка на виході турбіни створює додатковий імпульс, який полегшує роботу наступної гідротурбіни.  При каскадному (послідовному) розміщенні кількох таких турбін стає можливим отримувати значно більше енергії, ніж від одного генератора з такою ж турбіною. Це дозволяє створювати досить потужні електричні гідроелектростанції (у кілька десятків кіловат) на рівнинних річках та штучних водовідвідних каналах без будування гребель та інших штучних споруд.

ПЕРЕВАГИ ТА НЕДОЛІКИ

До безумовних переваг гідротурбіни Савоніуса є великий крутильний момент та можливість сталої роботи при малих швидкостях водяного потоку, що дозволяє використовувати її для отримання електричної енергії на рівнинних річках, каналах, водовідводах.

До основного недоліку можна віднести тільки відносно невеликий коефіцієнт перетворення енергії потоку води у механічну енергію. Однак він компенсується простотою, надійністю та кількістю послідовно встановлених гідротурбін.

ПОТУЖНІСТЬ МІКРОГЕС

Перед тим як зробити вибір моделі гідротурбіни розглянемо можливість підняття її ефективності, тобто постараємось вияснити за рахунок чого можливе підвищення коефіцієнта перетворення енергії водяного потоку у механічну енергію обертання ротора турбіни. 

Так як потужність потоку прямо пропорційна квадрату швидкості течії води

(де q = A · v, A –  площа перетину водного потоку, м2, А = b · h (b – ширина, а h – глибина водного потоку, м), v – швидкість потоку, м/с)

то, для підвищення потужності потоку води необхідно підвищити швидкість течії. Так, наприклад, збільшивши швидкість течії з 2 м/с до 4 м/с при тих же самих витратах води (q = const) потужність потоку можна підвищити у 4 рази. Таке рішення можна прийняти для випадку, коли вода тече по штучному каналу. Тоді, застосувавши концентратор потоку, можна забезпечити локальне збільшення течії.

Так, задаючись витратами води q = 1 м3/с (3600 м3/годину), потужність потоку води буде становити N = 0,5 · 1000 кг/м3 · 1 м3/с · 42 = 8000 Вт (8 кВт),

або, враховуючи коефіцієнт перетворення енергії потоку води в електричну (Ƞ= 0,35 … 0,4), можна очікувати можливість отримання Ne = N · Ƞ = 8 кВт · 0,35 … 0,4 = 2,8 … 3,2 кВт електричної енергії.

ПРОЕКТНІ РІШЕННЯ

Проведені розрахунки показують, що використання роторної гідротурбіни Савоніуса спільно з концентратором потоку дає можливість отримати з одного генеруючого модуля близько 3 кВт електричної енергії.

Розглянемо можливість отримання електричної енергії з потоки води, що тече по штучному бетонному каналу.

Задаємось  наступними витратами води, що тече по каналу, а саме:

  • Q (max) = 4620 м3/годину (q = 1,28 м3/с);
  • Q (medium) = 3640 м3/годину (q = 1,01 м3/с);
  • Q (min) = 3000 м3/годину (q = 0,83 м3/с).

Для отримання електрики важливо забезпечення постійного потоку води, тобто витрати води повинні бути однакові. Так як у нашому випадку витрати води неоднакові, здійснюємо розрахунок генеруючої установки виходячи з мінімальних витрат, тобто беручі за основу q = 0,83 м3/с. Надлишок води можна відвести по обвідному каналу. Тоді електрична потужність одного генеруючого модуля складе

Ne = 0.5 · 1000 кг/м3 · 0,83 м3/с · 42 · 0,35 = 2300 Вт (2,3 кВт).

Що дозволяє для отримання електрики використати стандартний трьохфазний електричний генератор потужністю 2,2 кВт, частотою 50 Гц з вихідною напругою 400 В.

Проведені розрахунки показують що при використанні  роторної гідротурбіни інженера Савоніуса спільно з концентратором потоку є можливість отримати від однієї гідротурбіни 2,2 кВт·годин (або понад 19,0 МВт·годин/рік) електричної енергії.

ЕКОНОМІЧНА ДОЦІЛЬНІСТЬ

Багато це або мало? Все залежить від конкретних умов, таких як витрати води, потужність потоку тощо. Але, отримання з потоку води, що тече по каналу або по річці, будь-якої кількості енергії вже є предметом пильної уваги, особливо беручи до уваги «зелений тариф» та постійне подорожчання електрики.

Використання роторної гідротурбіни у іригаційному каналі: Turbina Hidrocinética Canal Monjas Matriz – YouTube

ЕЛЕКТРИЧНІ ГЕНЕРАТОРИ

Наступним питанням, яке виникає при розробці мікрогідроелектростанції будь-якого типу є вибір електричного генератора, який буде перетворювати механічну енергію ротору гідротурбіни у електричну енергію.

Для перетворення механічної енергії в електричну використовують два типи електричних генераторів – синхронні та асинхронні генератори. Вони відрізняються один від одного тим, що генерація електричної енергії у синхронних генераторах здійснюється при співпадінні частоти обертання магнітного поля статора з частотою обертання ротору генератора, а у асинхронних генераторах – при відставання частоти обертання магнітного поля від частоти обертання ротору на 5 … 10%.

Кожному з цих типів генераторів притаманні свої переваги та недоліки. Так до переваг синхронних генераторів відносяться стабільність вихідної напруги, практично повна несприйнятливість до короткочасних або пускових перевантажень, напруга, що генерується, має правильну синусоїду. До недоліків – критичність до перевантажень, що потребує застосування спеціальних мір захисту, та необхідність зовнішнього збудження. Асинхронні генератори відрізняються меншим спотворенням форми вихідної напруги, більшою стабільністю вихідної напруги, мають підвищену стійкістю до короткого замикання і перевантажень, відзначаються меншою масою та розмірами. Крім того асинхронні генератори мають більш високу ступінь захисту від пила та вологи, що надає їм перевагу при використанні у якості джерел електрики для мікрогідроелектростанцій.

Вибір того або іншого типу електричного генератора обумовлюється уподобанням розробника, а також складністю синхронізації роботи генератора з зовнішньою електричною мережею, або умовами роботи генератора в автономному режимі.

СИСТЕМА КЕРУВАННЯ

Ефективна робота мікроГЕС багато в чому залежить від нерівномірності потоку води. Стабільність її роботи забезпечується за допомогою системи керування, яка здійснює:

  • регулювання потоку води, що забезпечує стабілізацію частоти обертання гідротурбіни і, відповідно, стабільність частоти електричного струму, який виробляється електричним генератором мікроГЕС;
  • синхронізацію частоти електричного струму, який виробляється мікроГЕС з частотою зовнішньої електричної мережі, до якої приєднана мікроГЕС;
  • контроль і стабілізацію напруги, що генерується;
  • захист електричного обладнання мікроГЕС від короткого замикання;
  • захист обслуговуючого персоналу від випадкового враження електричним струмом, тощо.

Система керування повинна забезпечувати надійну роботу мікроГЕС в режимі паралельної роботи з зовнішньою електричною мережею, або її роботу в автономному режимі.

Робота мікроГЕС У паралельноМУ рЕЖИМІ з зовнішньою електричною мережею

Найбільш доцільним є використання мікроГЕС у режимі паралельної роботи з зовнішньою електричною мережею. У цьому режимі мікроГЕС виступає як додаткове джерело електричної енергії. Коли мікроГЕС виробляє надлишок електричної енергії, то вона передається в зовнішню електричну мережу. При цьому забезпечується постійне навантаження генератора, що веде до стабілізації величину вихідної напруги та частоту електричного струму. У разі, коли потужність мікроГЕС недостатня, відбувається споживання електроенергії із зовнішньої мережі, що також позитивно позначається на стабілізації вихідної напруги і частоти електричного струму, які виробляються мікроГЕС.

При використанні мікроГЕС у режимі паралельної роботи з зовнішньою єлектричною мережею (зовнішньою енергносистемою) у якості генератора електричної енергії доцільно використовувати асинхронні генератори (АГ).

До переваг застосування асинхронного генератора можна віднести відсутність потреби у засобах регулювання швидкості обертання гідротурбіни. У даному випадку, на відміну від роботи у автономномному режимі, швидкість обертання ротора гідротурбіни практично не впливає на швидкість обертання магнітного поля статора АГ. А отже відсутний вплив і на частоту струму та напругу генератора, оскільки умови його роботи задаються набагато потужнішою зовнішньою електричною мережею.

У випадку паралельної роботи з енергосистемою АГ не потребують проведення синхронізації. У момент підключення АГ до системи (з приведеною швидкістю обертання ротора у межах 5 % відносно синхронної частоти) вплив АГ на режим роботи системи стає неістотним. Після увімкнення АГ у більшості випадків встановлюється нове значення швидкості обертання ротора, яке визначається співвідношенням крутильних моментів гідротурбіни та ротора АГ.

У випадку роботи АГ у паралельному режимі з зовнішньою енергосистемою відпадає необхідність застосування конденсаторного збудження, яке необхідно для роботи у автономному режимі, оскільки забезпечення та підтримання умов самозбудження генератора не є обов’язковим. Потрібна для створення обертового поля реактивна потужність може бути отримана безпосередньо з електричної мережі. При цьому споживання реактивної потужності з електричної мережі для АГ буде відповідати її споживанню у режимі двигуна.

Екологічна безпека

  • Під час проходження води через мікроГЕС, вона насичується киснем повітря, що сприяє активнішому росту водної мікрофлори та фауни. Що позитивно впливає на екологічний стан річок і водойм;
  • Конструкція гідротурбіни та невелика швидкість її обертання забезпечують можливість безперешкодного проходження риби як вгору, так і вниз за течією, що дозволяє використовувати ці гідротурбіни на невеликих річках;
  • МікроГЕС відносно безшумна у роботі, що дозволяє розташовувати електричну станцію поруч з житловими будинками;
  • За мінімальної зміни ландшафту, мікроГЕС  дає змогу задіяти раніше невикористаний гідроенергетичний потенціал багатьох дрібних річок, струмків та технологічних водоводів.

ТЕХНІЧНІ ПОКАЗНИКИ генеруючого модуля ENERGY S2.0-400

ПоказникОд. виміруЗначення
1ПотужністьkW2.2
2НапругаV400
3Кількість фаз 3
4ЧастотаHz50
5Тип електричного генератору асинхронний
6Швидкість потоку води у каналіm/s2
7Еквівалентний гідравлічний напірm0.8
8Швидкість обертання роторуmin-1110
9Розміри генеруючого модуляmm1250x700x1450
10Вага генеруючого модуляkg210
У таблиці наведені номінальні значення основних показників.

МікроГЕС на основі генеруючих модулів ENERGY S2-400

ПЕРЕВАГИ

  • МікроГЕС ідеально підходить для децентралізованого екологічно чистого електропостачання  житлових будинків, невеликих підприємств, готелів, очисних споруд, насосних станцій та інших);
  • Можливість отримання електроенергії за рахунок кінетичної енергії потоку води, що дозволяє використовувати їх без будівництва греблі;
  • Технологічна сумісність з обладнанням очисних споруд;
  • Простота в експлуатації;
  • Висока надійність обладнання;
  • Експлуатаційні витрати обмежуються тільки перевіркою цілісності обладнання, та контролем за справністю роботи обладнання, що дозволяє відмовитись від складних систем аварійного відключення, перекриття каналу та інших мір, які можуть зашкодити навколишньому середовищу;
  • Використання асинхронних генераторів на мікроГЕС, які працюють паралельному режимі з зовнішньою енергосистемою, є менш витратними порівняно з використанням синхронних генераторів. Оскільки у цьому випадку не потребується застосування складної системи стабілізації та синхронізації.
Insert math as
Block
Inline
Additional settings
Formula color
Text color
#333333
Type math using LaTeX
Preview
\({}\)
Nothing to preview
Insert
Прокрутити вгору