Водяная турбина для выработки электроэнергии

Новая водоворотная турбина сделает гидроэнергетику по-настоящему «зеленой»

• " onclick="window.open(this.href,’win2′,’status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,w >

Подробности Опубликовано: 12.02.2018 17:58

Устойчивая гидроэнергетика XXI века очень далека от привычных образов времен индустриализации – гигантских дамб и водохранилищ, построенных на пути величайших рек планеты. Чтобы обеспечить электроэнергией небольшие поселения, фермы или отдельные дома достаточно малых рек и непересыхающих ручьев. Именно в этом направлении движется бельгийская фирма Turbulent, занимающаяся установкой децентрализованных гидроэнергетических установок. Цель компании – сделать гидроэнергетику природосберегающей.

Молодая команда инженеров из разных стран приступила к разработке небольших водоворотных гидротурбин в 2014 году. Такое устройство может быть установлено на большинстве рек и каналов с проточной водой. Одна турбина способна снабдить энергией до 60 домохозяйств, причем ее генерация постоянна, в отличие от ветровых или солнечных систем, работа которых зависит от погоды и времени суток. Для небольших сообществ, расположенных вблизи рек, эта технология может служить эффективным и надежным источником энергии. И на счету Turbulent уже есть работающий проект в сельской местности Чили.

Подобную мини-ГЭС можно смонтировать за неделю. Для этого вблизи русла выкапывают рукав, по которому вода попадает в цилиндрический колодец с установленной в нем турбиной. Вся часть искусственного русла забетонирована. Падающая вода в цилиндре создает вихревой поток, вращающий лопасти. Перепад высоты для нормальной работы турбины должен быть около 1,5 м. Лопасти небольшой турбины безопасны для рыб и прочих водных обитателей, что демонстрируется в представленном ниже видео.

Разработчики компактной гидроэлектростанции говорят, что их турбина долговечна и не требует серьезного обслуживания, потому что у нее есть только одна движущаяся часть. А срок службы бетонного бассейна составляет 100 лет.

Электростанции Turbulent уже успешно протестированы на многих речках Бельгии. Их дополнительным достоинством является возможность увеличивать/уменьшать мощность в зависимости от потребностей в пределах от 15 до 100 кВт. Кроме того, основные конструктивные элементы таких установок создаются с помощью 3D-печати, что облегчает и удешевляет процесс производства.

Вихревой поток для выработки энергии впервые использовал австрийский инженер Франц Зотлетер, получив в 2003 году патент на свое изобретение. Бельгийские инженеры внесли изменения в конструкцию цилиндрического бассейна, добившись, по их словам, почти двойного увеличения эффективности.

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Малые гидротурбины весьма специфичны в принципе своего действия в отличие от турбин обычных ГЭС. Процесс работы микро гидротурбины интересен тем, что свойства ее строения могут обеспечить под конкретный объект тот объем водных масс, который будет поступать на части гидротурбины (лопасти), приводить в рабочее состояние генератор (генератор играет роль выработки электроэнергии).

Процесс усиления напора воды обеспечивается образованием «деривации» — сходов воды в свободном течении (при условии, что эта микро ГЭС деривационного типа) или плотиной (условие – мини ТЭС по типу плотины).

Мощность мини ГЭС

Уровень мощности мини ГЭС напрямую зависит от условий, в которых ее гидротехнические свойства находятся:

1. Расход воды – это тот объем водных масс (л), который проходит через турбину за определенный промежуток времени. Принято за этот промежуток принимать 1-2 секунды.
2. Напор воды – расстояние между двумя противоположными точками водной массы (одна расположена вверху, другая в нижней части). Напор имеет ряд характерных особенностей, от которых зависят и виды микро ГЭС (высокий напор, средний напор, низкий напор)

Особенность работы микро ГЭС оценивается с точки зрения ее территориального размещения. Например, напорная микро ГЭС осуществляет работу по типу отведения водных потоков по особому каналу, сделанному из дерева, находящегося под определенным углом наклона, что позволяет воде быстрее протекать. Напор воды в таком ГЭС зависит от того, насколько этот канал длинный. Далее вода перетекает в напорный трубопровод, после чего попадает в гидроагрегат, который располагается в нижней части. Затем переработанная вода путем выдавливания направляется обратно место истока.

Расположение мини ГЭС

Важно заметить, что положение гидротурбины в зависимости от вида построения может быть разным:

1. Горизонтальное положение. Такое положение гидротурбины приводит к естественному увеличению размеров самой мини ГЭС (с помощью турбинного вала, который так же увеличивает размер, системы энергии при вращении, а так же изменение масштабов машинного зала). Однако стоит отметить, что строительство подобных гидротурбин не является более сложным в сравнении с остальными, а даже наоборот, упрощает его.
2. Вертикальное расположение. Данный вид расположения способствует уменьшению размеров ГЭС, позволяет улучшить баланс осевых линий, ее компактности. Такое размещение более сложное в построении, так как создается необходимость детального баланса оси во вращательном элементе. Так же в такой ситуации важно более тщательно отнестись к обязательному положению рабочего пола, когда он будет в одну горизонтальную линию и его прочностных характеристик, что бы они были в состоянии выдержать вес всего построения. Вертикальное расположение усиливает давление на ось конструкции.

Применение мини ГЭС

В общем и целом установки малых ГЭС используются в основном для применения их в отдаленных районах жилых объектов. Они не могу являться серьезными конкурентами крупным электростанциям, а скорее служат для обеспечения экономии энергии. С недавних пор количество людей, использующих альтернативные источники энергии, как гидроэлектростанции, батареи солнечного типа и различные установки ветряного регулирования. Турбины, описываемые в этой статье в скором времени могут стать единым целым с этими новаторскими источниками энергии, что в итоге приведет к созданию новых электрических схем и моделей.

Для чего могут быть использованы данные сооружения?

• для обеспечения электроэнергией объектов частной собственности;
• для отдаленных промышленных районов;
• для электрических зарядных станций;
• для временного использования.

Преимущества мини ГЭС

У малых ГЭС есть ряд особых преимуществ:

• они выпускаются в двух вариантах: закрепленные на дне водоема, а так же с особыми крючками, которые позволяют проводить работы на поверхности
• установка может достигать мощности, равной 5 КВ, дабы увеличить мощность и КПД ГЭС турбины устанавливаются как модули
• ГЭС негативно никак не влияют на окружающую среду в процесс строительства, т.к. для ее создания используется природная вода, которая направляется в определенный поток и приводит в движение лопасти.

Турбины для мини ГЭС

Теперь поговорим непосредственно о гидротурбинах для мини ГЭС и о том, что нам необходимо для ее строительства. Характеристики и особенности эксплуатации гидротурбины:

1. Температура воды, которая подается в турбину, должна превышать +4 °С.
2. Температура, которая должна быть в блоковом модуле +15 °С и выше.
3. Звуковое давление, источник которого находится за 1 м от гидротурбины, составляет 80 дБ и не более.
4. Наружная поверхность гидротурбины должна быть разогрета до температуры не выше +45°С при условии, что температура воздуха вокруг +25°С.

Рассмотрим пример хорошо сбалансированной и работающей гидротурбиной в идеальных условиях.

Допустим, что мы имеем проточную гидротурбину, радиальную, напоростурйную со средним напором, которая обеспечивает тангенциальную подачу воды на лопасти, вал горизонтальный. Такие типы труб относят к классу «тихих». Они имеют особенность приспособления к окружающей среде, месту установки и различным перепадам высотных давлений. Если расход воды резко меняется, то в турбине применяется конструкция двухкамерного мешка, что делает работу устройства более качественной.

Корпус любой гидротурбины изготавливается из стали конструкционного типа, она прочная и надежная. Затраты на материалы, строительство значительно снижены по сравнению с гидротурбинами для обычных ГЭС. Самый распространенный материал, используемый для строительства гидротурбины, будет выдерживать перепады от 90 до 120 метров, некоторые детали изготавливаются из нержавеющей стали (корпус, трубопроводы).

В гидротурбинах нового поколения есть возможность заменять генератор и рабочее колесо без сильной деформации и перебирания. Стоит отметить, что рабочее колесо имеет свойство самоочищаться благодаря водным потокам, которые в процессе своей работы проходят через область рабочего колеса. Во время проектирования генератора и самой гидротурбины принимается рад мер, позволяющий снизить кавитационный уровень. Нынешние гидротурбины на 100 процентов лишены этой проблемы.

Главная” часть гидротурбины – это рабочее колесо. Материалом для изготовления лопаток зачастую является сталь профильного типа. Лопатки в силу своих свойств могу создавать усилие осевого уровня, облегчая работу подшипникам, а сами рабочие колеса находятся на постоянном балансе. Продолжительность работы оси рабочего колеса определяется ее положением, для более долгой работы ее устанавливают на подшипниковый уровень.

Особенности гидротурбин для мини ГЭС

1. Могут быть использованы в системах очистки для получения качественной питьевой воды.
2. Возможно подключение промышленного генератора.
3. Повышенные требования к надежности генератора.

Некоторые характеристики технического плана:

1. Перепад высот: 3 — 200 м
2. Водорасход: 0,03 — 13 кубических метра в секунду
3. Мощность: 5 — 3 000 кВт
4. Число лопаток, расположенных на осевом секторе: 37
5. КПД: 84% — 87%

Конечно, мини ГЭС вряд ли смогут стать основным источником энергии, однако их использование вполне целесообразно в качестве средства уменьшения нагрузки на основную питающую энергосеть, особенно в периоды пикового потребления.

Возможно ли дома иметь собственную надежную, компактную систему генерации тепла и электричества? Компания MTT Micro Turbine Technology BV (Нидерланды) на этот вопрос ответила утвердительно, создав установку EnerTwin на основе микротурбины, одновременно генерирующей 3 кВт электричества и 15 кВт тепла. Микро-ТЭЦ EnerTwin разработана для замены отопительных котлов для малого бизнеса и домашних хозяйств. Основное внимание уделяется низкой себестоимости, надежности, снижению уровня шума и низким эксплуатационным расходам.

Выглядит МикроТЭЦ как обычный бытовой прибор

Микро-ТЭЦ одновременно генерирует (когенерирует) тепловую и электрическую энергию в местах, где они обе востребованы. Как правило, основным потребителем энергии микро-ТЭЦ является система отопления. Электричество, в этом случае, становится побочным продуктом, производимым по очень низкой себестоимости. Основное преимущество микро-ТЭЦ в том, что энергия топлива используется практически полностью. В этом состоит основное отличие от обычных электростанций, где значительное количество тепла теряется в атмосферу. Кроме того, микро-ТЭЦ экономит на передаче электроэнергии от электростанций до конечных пользователей, за счет уменьшения потерь. Любое превышение выработки электроэнергии от микро-ТЭЦ можно экспортировать в электрическую сеть (в Европе, США и др.). Существуют специальные программы стимулирования для поставщиков электроэнергии. Например в Германии, для тех кто поставляет излишки генерируемой электроэнергии в сеть, дополнительно предоставляются льготы. Это делает преимущества когенерации еще большими.

Распределенная система генерации энергии на базе микро-ТЭЦ EnerTwin

Технология

EnerTwin система микро-ТЭЦ построена на основе микротурбины. Принцип работы заключается в следующем:

Основная схема рабочих узлов микро-ТЭЦ

1. Окружающий воздух поступает и сжимается в компрессоре.
2. Сжатый воздух предварительно нагревают в рекуператоре.
3. В камере сгорания, добавляется тепло при сгорании топлива.
4. Горячий сжатый газ расширяется в турбине, что обеспечивает механическую энергию для компрессора и генератора. «Инвертер» преобразует энергию, подаваемую генератором в напряжение и частоту электросети ( 230 ⁄₅₀ Гц).
5. Расширенный газ после турбины нагревает воздух, сжатый компрессором в рекуператоре (см.2).
6. Остаточное тепло, оставшееся в выходном газе после рекуператора, поглощается в теплообменнике с водой.
7. Горячая вода используется для центрального отопления и /или горячего водоснабжения.

Внутреннее устройство EnerTwin

Турбина

Газовые турбины известны своей высокой мощностью, низким весом и эксплуатационными расходами. Использование технологии турбонаддува, разработка которой финансировалась государством, приводит к низкой себестоимости производства. Газотурбинные компоненты оптимизировались для применения в турбогенераторе. Высокоскоростной турбогенератор при частоте вращения 240 тысяч оборотов в минуту имеет чистый электрический к.п.д. 15% (19% эффективность мощности на валу). Вместе с низкими затратами, это обеспечивает большой потенциал для экономически эффективных микро-ТЭЦ систем.

Новая концепция

При создании EverTwin компания применила нетрадиционный подход для разработки эффективного, очень малого газотурбинного двигателя. Этот проект основан на вращающейся камере сгорания в сочетании с эффективным компрессором.

Эффективность газовой турбины в значительной степени зависит от потерь из-за утечек потока, тепловых потерь и трения. Эти потери становятся еще существенней при попытках создать турбины микро-мощности, масштабируя обычные газовые турбины. При уменьшении турбины соотношение зазоров и размеров лопастей турбины уменьшается. Кроме того, при уменьшении размера (снижается число Рейнольдса) вязкие потери на трение становятся больше, чем в обычных турбогенераторах. В результате , существует фундаментальное ограничение на эффективность микротурбин с обычной конфигурацией.

В концепции вращающейся камеры сгорания вышеуказанные масштабные эффекты не так заметны. Ключевой особенностью является монолитный ротор.

Монолитный ротор микротурбины

Монолитный ротор в разрезе

В основном , турбина состоит из одного ротора, в котором расположены центробежный компрессор, вращающаяся камера сгорания и реакционная турбина. У вращающейся камеры сгорания, компрессор не имеет диффузора и турбина не имеет лопаток.

Электрогенератор

Эффективный высокочастотный генератор на постоянных магнитах преобразует механическую энергию микротурбины в электроэнергию.
Генератор полностью интегрирован в ротор турбины, избегая затрат и потерь от дополнительных подшипников и муфт.

Уровень шума

Микротурбины излучают только высокочастотный шум, который может быть эффективно заглушен. По сравнению с обычными генераторами и турбинами, EnerTwin имеет очень низкий уровень шума.

Спецификация EnerTwin

• Электрическая мощность (макс/мин) — 3,0 /1,0 кВт
• Тепловая мощность (макс/мин) — 14,4 /5,0 кВт
• Электрический КПД (макс/мин) — 15 /10 %
• Максимальный суммарный КПД — 87% (зависит от параметров системы отопления, например температуры обратного трубопровода)
• Скорость вращения ротора (макс/ мин) — 240 / 180 тысяч об/мин
• Потребление газа (38.5 MJ/nm3, макс/мин) — 1,87 /0,84 nm3/h
• Топливо — природный газ
• Параметры системы отопления (подающая/обратная труба) — 80 ⁄₆₀ °С
• Шум — 55 dB(A) 1m
• Размеры — 970 x 610 x 1120мм
• Вес — 225 кг
• Диаметр дымохода — 100мм
• Электросеть — 230 В/50 Гц

Основное применение

По мнению разработчика основное применение микро-ТЭЦ:

• Малые и средние предприятия;
• Отрасли с относительно небольшим устойчивым требования тепла;
• Конференц-залы;
• Большие жилые дома;
• Дома с бассейном и /или сауной;
• Коттеджи;
• Школы, спортивные школы, спортивные залы, студии и кружки;
• Коммунальные здания;
• Автозаправочные станции;
• Гостиницы и рестораны;
• Магазины;
• Оздоровительные центры;
• Дома престарелых;
• Правительственные здания, такие как залы, полицейские станции, библиотеки.

Сертификация

В феврале 2013 года EnerTwin получили сертификат CE для полевых испытаний. Получение этого сертификата представляет собой важную веху в развитии EnerTwin. Сертификат был выдан по KIWA после всесторонних испытаний работы турбин на газообразном топливе и вопросам безопасности труда. Свидетельство KIWA действительно для всех стран Европейского Союза, а также в Норвегии, Хорватии, Турции и Швейцарии.

Европейский сертификат безопасности KIWA

Где посмотреть?

МТТ скоро будет участвовать на выставках:

• Hannover Messe в Германии с 7 по 11 апреля 2014 года, павильон Holland Energy House, холл 27 G24
• MCE в Милане с 18 по 21 марта 2014 г. в павильоне 5, стенд №. E02 10.

>