Вести Единения - 23. Бесплотинная энергетика, как экологически чистый, возобновляемый источник энергии

<100 full reads
114 story viewsUnique page visitors
<100 read the story to the endThat's 34% of the total page views
3 minutes — average reading time
Вести Единения - 23. Бесплотинная энергетика, как экологически чистый, возобновляемый источник энергии

Аннотация

Важной частью преобразования гидроэнергетики является развитие её бесплотинных методов. Их экологичность состоит в ликвидации таких, например, недостатков плотинной энергетики, как затопление больших территорий и накопление в водохранилищах вредных веществ; кавитационные эффекты, вызываемые схлопыванием пузырьков растворённого в воде воздуха при ударе о турбину выбрасываемого из водовода плотины водяного потока, что создаёт сильные локальные скачки давления, уничтожающие фитопланктон и омертвляющие реку.

Бесплотинная энергетика не требует строительства дорогостоящих плотин, не препятствует прохождению рыб и лодок и является экономически предпочтительным и экологически чистым способом извлечения энергии из потоков воды, трактуя реки, как источник жизни.

Бесплотинные ГЭС способны заменить бензоагрегаты, требующие подвоза дорогостоящего топлива в труднодоступные места, что в ряде случаев позволяет исключить строительство капиталоемких линий электропередачи.

Отдельная погружная бесплотинная микро-ГЭС может быть введена в поток и извлечена из него с помощью лебёдок, в том числе и с одного берега, размещается на дне реки в полностью затопленном положении, легко транспортируется и обеспечивает электропитанием, холодной и горячей водой небольшую группу людей.

Поставленная каскадом вдоль течения реки группа погружных бесплотинных ГЭС может генерировать энергию, сравнимую с той, что даёт на этой же базе плотинная ГЭС, оставляя реку свободной для прохода рыб и плавсредств, при этом течение реки остаётся скоростным, а качество воды без ухудшений.

Достоинства бесплотинной энергетики достаточно очевидны, однако особенности этого метода и их практическая реализация разработаны недостаточно.

В данном докладе рассмотрен опыт работы с реальными бесплотинными микро-г.э.с. киловаттного диапазона мощности на реках горного Алтая, приведены ожидаемые характеристики одиночных модулей мощностью до десятков киловатт, а также расчётные возможности каскадов таких установок на быстротоках, с общей мощностью мегаваттного масштаба на километр течения реки.

Практическая реализация элементов бесплотинной энергетики на
реках Горного Алтая.

Возможности отдельных установок.

Описание установки

Рисунок 1. Внешний вид реальной установки на берегу реки Чемалка Республики Алтай, май 2014 года.
Рисунок 1. Внешний вид реальной установки на берегу реки Чемалка Республики Алтай, май 2014 года.
Рисунок 1. Внешний вид реальной установки на берегу реки Чемалка Республики Алтай, май 2014 года.

На (рис.1), взятом из работы [1], видны: несущий каркас, установленный на две лыжи из герметизированных труб диаметром 80 мм и длиною 3,45 м; сориентированная параллельно лыжам турбина - из четырёх одинаковых секций диаметром 500 мм и длиною 598 мм из листовой стали-3 толщиною 2 мм, сваренных аргонодуговой сваркой по торцам, каждая из которых повёрнута относительно соседней на 90 градусов, для выравнивания вращающего усилия потока при вращении турбины; листы формирователя потока, затеняющего нижнюю часть турбины от набегающего потока воды, длиною 1700 мм и общей шириной 3 м. Формирователь, также, под действием потока воды, прижимает установку ко дну реки, стабилизируя, тем самым её положение [1,3].Ось турбины поднята на высоту 600 мм от опоры и затенена формирователем на размер 0,55 своего радиуса. Видна, также, вертикальная труба для кабеля, управляющего обмоткой подмагничивания генератора и передающего электрическую мощность на берег.

Рисунок 2. Бесплотинная ГЭС в потоке воды
Рисунок 2. Бесплотинная ГЭС в потоке воды
Рисунок 2. Бесплотинная ГЭС в потоке воды

Видны: сама турбина с формирователем потока, выводная труба и кабель для подачи управляющих сигналов в обмотку подмагничивания генератора с берега и передачи мощности от генератора в береговую нагрузку. В дальнейшем этот кабель может быть пропущен в трубе по дну. В данном эксперименте была получена мощность 0,7 кВт, при скорости потока 2,5 м/с, площадью сцепления турбины с потоком воды 1,2 м2, и электрическим к.п.д. 0,53, [1]. В дальнейшем этот к.п.д. может быть существенно повышен и при малых мощностях, а при больших мощностях превысит величину 0,9.(Механическая мощность турбины более1,4 кВт.)

Представлена таблица возможных характеристик различных одиночных бесплотинныхгэс данного типа [2], способных вырабатывать электрическую энергию в диапазоне от 0,5до 12,5 кВт при скорости потока 2,5 м/с и до 100 кВт при скорости 5м/с.

Таблица. Возможности единичных бесплотинных ГЭС разных размеров, пересчитанные пропорционально от достигнутых практически параметров установок электрической мощностью 0.5 - 0.8 кВт, при Vo=2.5 м/c.

Вести Единения - 23. Бесплотинная энергетика, как экологически чистый, возобновляемый источник энергии

Здесь Wм – мощность мультипликатора типа ЗМП, [1]; Км – передаточное число мультипликатора; Кд – дополнительная мультипликация; Wт– электрическая мощность установки. Указаны также, возможный тип генератора, диаметр Ф, длина L и площадь гидротурбины S, частота оборотов турбины F в нагруженном режиме; поток воды через турбину Q и примерный вес установки. Сносовое усилие потока воды на турбину - около 105 кг на кВт её механической мощности [2], или около 115кг/квт электрической мощности, при эл. .

Поскольку механический КПД турбины близок к 0,35, то сносовое усилие, нормированное на мощность набегающего потока, составляет 0.35х105= 37 кг/кВт. (Это усилие полностью компенсируется стабилизирующим положение формирователем потока [3]). Отметим, что использование аккумуляторов позволит многократно увеличивать импульсную мощность установки.

Поскольку Vt = W3, то при Vo = 5м/c, указанная в Таблице удельная мощность установок должна возрастать в 8 раз. То есть максимально до 100 кВт, в строке 8 Таблицы. При этом, вследствие роста скоростного напора, вес установок возрастёт, примерно, вдвое. (Этот рост сильно зависит от конструкторских решений).

Полученные результаты могут быть полезны при проектировании бесплотинных установок на реальных реках.

Возможности построения каскадов бесплотинных г.э.с. большой мощности

Большие мощности могут быть получены стационарными массивными (весом в несколько тонн) бесплотинными ГЭС на Катунских быстротоках [1,2], где вода движется со скоростью 5-8 м/с, а ширина и глубина быстротоков близки к 10-15 и 5-8 метрам, соответственно, без учёта мелководных и медленных прибрежных рукавов. Конкретный пример такого быстротока рассмотрен для зоны проекта Алтайской ГЭС с плотиной в районе села Еланда Республики Алтай(20 км выше посёлка Чемал) и зоной водохранилища протяжённостью 25 км, [4], что позволяет применить в расчётах официальные параметры реального потока.

Рисунок 3. Горные реки Республики Алтай РФ.
Рисунок 3. Горные реки Республики Алтай РФ.
Рисунок 3. Горные реки Республики Алтай РФ.

Перспективы получения бесплотинных каскадов большой мощности

На основе проведённых ранее экспериментов на горных реках с реальными устройствами, рассмотрены перспективы получения мощностей мегаваттного диапазона каскадными микро-г.э.с. С этой целью были проведены расчёты в рамках предложенной модели [5]и известных характеристик потока. Полученные результаты расчётных характеристик каскада протяжённостью до 25 км -мощностью от 30 до 62 МВт летом и от 9 до 19 МВт зимой, в разных режимах работы, сопоставлены с данными по плотинной ГЭС[4], спроектированной на той же речной базе, что и бесплотинный каскад. Расчётная эффективность выработки электроэнергии каскадом относительно плотинного варианта составляет от 25 до 50% в разных режимах работы, [5].

Схема каскада агрегатов на первом километре быстротока

Рис.4 . Схема скоростного каскада
Рис.4 . Схема скоростного каскада
Рис.4 . Схема скоростного каскада

Рис.4. Схема скоростного каскада протяжённостью 1 км на летнем быстротоке глубиной 8,3 м и шириной 9,5 м, при скорости потока на входе в каскад 7м/с и пульсации скорости при доускорении между турбинами - от 5,4 до 6,5 м/с, после замедления потока входной турбиной. Протяжённость каскада определяется шагом установки семи гидроагрегатов: 96+164*5 = 1016 м, общей мощностью 2,1 МВт. (Указаны первые 4 агрегата.)

Здесь: 1 – гидротурбина диаметром 4,2 м и длиною 4,8 м, с механическим к.п.д. каскада равным 0,25, перекрывающая примерно 1/3 от полного сечения быстротока.

Рис.5 Характеристики каскада бесплотинныхг.э.с., установленных на базе 25 км., в зоне планируемой Алтайской ГЭС.
Рис.5 Характеристики каскада бесплотинныхг.э.с., установленных на базе 25 км., в зоне планируемой Алтайской ГЭС.
Рис.5 Характеристики каскада бесплотинныхг.э.с., установленных на базе 25 км., в зоне планируемой Алтайской ГЭС.

Здесь приведены:

1. Мощность W каскада бесплотинных гэс в летнем стоке, от 30 до 62 МВт, в зависимости от числа N установленных в поток агрегатов, от 145 до 730 штук на базе 25 км и, соответственно, при разных рабочих скоростях приторможенного потока в зоне каскада.

2. Относительный к.п.д.ᶯ летнего каскада, от 25 до 52%, как отношение мощностей бесплотинного каскада и плотинной г.э.с. высотою 57 м, на общей базе 25 км.

3. Значение мощности входного участка бесплотинного каскада длиною 1 км на летнем быстротоке реки, умноженное на 10, всего от 2,1 до 4,1 МВт. (Число турбин от 7 до 32, в зависимости от выбранной скорости работы.)

4. Мощность W зимнего каскадабесплотинныхгэс в зависимости от числа бесплотинных агрегатов N, установленных внутри потока реки, от 9 до 19 МВт, при относительном к.п.д. от 30 до 60%.

5. Значение мощности входного участка бесплотинного каскада длиною 1 км на зимнем быстротоке реки, умноженное на 10, всего от 0,7 до 1,3 МВт.

6. Средний шаг установки агрегатов (турбин), в каскад протяжённостью 25 км при разных скоростях работы каскада, в метрах, делённый на 5, всего от 170 до 33 м.

Литература

1. Гетманов В.Н., Блинов В.В., Гончаров Н.Ф., Комаров С.Г., Макаров И.Р., Мандрик М.С. «Бесплотинные ГЭС, как источники энергообеспечения отдельных потребителей», (с.179-186), ПК «Энергетика и экология», г. Новосибирск. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.itp.nsc.ru/conferences/mzhz_2017/files/S4_Getmanov.pdf

2. Гетманов В.Н., Комаров С.Г., Блинов В.В. ПК «Энергетика и экология», г. Новосибирск. // Особенности построения бесплотинных ГЭС на быстрых реках. //2019 год, 16 стр. Вестник ПАНИ, №3,4, 2019.

3. Пат. 2187691 (РФ).// Русловой гидроагрегат Блинов В.В., Гетманов В.Н., Комаров С.Г., Горяев Е.П. // Действует с 13.03.2000, зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ 20.08.2002. Бюлл. №23,17 стр.

4. С.П. Паремуд, А.С. Пигалёв. Филиал ОАО «Инженерный Центр ЕЭС,

Институт Гидропроект, г. Москва //Обоснование инвестиций в строительство Алтайской гидроэлектростанции на реке «Катунь» в республике «Алтай». 2004 год, книга 8, 54 стр.

5. Гетманов В.Н, // Возможности построения каскадов бесплотинных ГЭС большой мощности,// Вестник ПАНИ, №1, 2020, в печати.

Автор: Гетманов Владимир Николаевич, Академик ПАНИ, к.ф.-м.н., доцент федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет» (НГУ), г. Новосибирск, Россия

Гетманов Владимир Николаевич
Гетманов Владимир Николаевич
Гетманов Владимир Николаевич

Официальный сайт съезда: http://dve100.com/vserossijskij-s-ezd-narodnyh-delegatov

Контакты Организационного Комитета Съезда:

edinenie2015@yandex.ru, +7 915 996 9345; +7 911 770 0158

Вести Единения - 23. Бесплотинная энергетика, как экологически чистый, возобновляемый источник энергии