© Трещалов Герман Владиславович
Главный специалист
Контакт с автором: erg@list.ru
ННО " Engineering Research Group “ERG”, г. Ташкент
APPLICATION OF THE HYDRODYNAMIC EFFECT OF BOOSTING POWER IN FREE-FLOW HYDRAULIC TURBINES
© Treshchalov German
Senior engineer
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрены возможности технических решений высокоэффективных свободнопоточных гидравлических турбин, использующих гидродинамический эффект усиления мощности потока, и их применение в качестве приводов насосов и электрогенераторов
ABSTRACT
The article analyses the specific hydrodynamics effect that appears in free flow of liquid as a result of its acceleration and transition through a critical state. Article also describes an application of the effect for energy purposes
Ключевые слова: энергия; энергоэффективность; мощность; турбина; свободнопоточный; поток; водяное колесо; глубина; гидродинамический; эффект; обратная связь; гидравлический прыжок;
Keywords: energy; ejection effect; hydrodynamics; turbulent; critical; sub critical; super critical; hydraulic jump; dept; effect; feedback;
ВВЕДЕНИЕ
В материалах [1], [2] и [3] был проведён анализ особого гидродинамического эффекта, возникающего при ускорении свободного безнапорного потока жидкости. Научная суть этого эффекта ранее была обоснована рядом публикаций в научных и научно-технических изданиях [4], [5], [9] и в некоторых источниках он получил название - «эффект Трещалова» по имени исследователя, первым проанализировавшего этот эффект, как самостоятельное физическое явление. В этих материалах также был проведён анализ энергетических аспектов эффекта и были рассмотрены некоторые варианты гидравлических свободнопоточных турбин оригинальной конструкции, в которых возможно его применение.
В [1] и [3] было показано, что выходная мощность турбин, в которых может применяться этот гидродинамический эффект, в значительной степени и нелинейно зависит от высоты турбины.
Это отражено в выведенной ранее (в [4]) уникальной формуле, позволяющей рассчитывать ориентировочную мощность таких турбин:
(1)
здесь: E - энергия, забираемая турбиной из потока; ρ - плотность жидкости (воды); L - эффективная ширина турбины поперёк потока; H1 - эффективная глубина входящего потока, V1 - скорость входящего потока; g - ускорение свободного падения.
Энергетическая диаграмма, построенная по формуле (1), приведённая в [4] и изображённая на рисунке 1, весьма наглядно отражает нелинейную зависимость выходной мощности от высоты турбины - величины заглубления турбины в потоке или глубины входящего в турбину потока.
Рис. 1. Энергетическая диаграмма гидродинамического эффекта Трещалова
Fig. 1. Energy diagram of the hydrodynamic Treshchalov’s effect
В настоящей статье рассматриваются варианты применения этого эффекта в энергетических целях с использованием свободнопоточных гидравлических турбин.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Несмотря на то, что в настоящее время традиционные свободнопоточные гидротурбины пока не являются достаточно эффективными и рентабельными, однако в некоторых случаях их применение оправдано [7], [8] (рис. 3 и 4). Использование же описанного выше гидродинамического эффекта усиления мощности (эффекта Трещалова) может существенно повысить энергоотдачу и энергоэффективность таких турбин.
По предварительным подсчётам, применение этой технологии в свободнопоточных гидравлических турбинах особой конструкции позволит повысить мощность таких аппаратов в 5-10 раз по сравнению с традиционными свободнопоточными агрегатами, что позволит им конкурировать с традиционными источниками энергии и существенно расширит сферу их применения.
В настоящее время параллельно с фундаментальными исследованиями этого гидродинамического эффекта разрабатываются конструкции свободнопоточных гидротурбин, работающих на этом принципе, и проводятся исследования с целью выдачи рекомендаций по оптимизации конструирования и внедрения таких турбин.
Одним из возможных вариантов турбин, использующих этот эффект, может являться турбина, изображённая на рисунке 2. Принцип действия такой турбины и её энергетические характеристики приведены в [1], [2], [9]. Также в этих материалах рассмотрены и другие технические варианты турбин, работающих на этом принципе, в частности [6].
Рис.2. Один из возможных вариантов свободнопоточной турбины, использующей эффект Трещалова.
Fig.2. One of the variants of the free-flow hydraulic turbine using Treshchalov’s effect of boosting power
Отбор энергии от турбины возможен при помощи электрогенератора. Однако вследствие нестабильности и низкой частоты вращения свободнопоточной турбины при работе на выделенную нагрузку, возникает сложность в поддержании стабильных выходных параметров генератора (частоты и амплитуды выходного напряжения). Для стабилизации этих параметров требуется использование специальных дорогостоящих устройств (преобразователей, инверторов, мощных стабилизаторов, автоматических регуляторов частоты и т.п.), а это существенно повышает стоимость проекта. В связи с этим, в некоторых случаях, для отбора мощности от турбины оправдано использование водяного насоса для закачки воды, что зачастую даже более востребовано в народном хозяйстве, нежели чем выработка электроэнергии. Предполагается применение насоса объёмного действия (плунжерный или поршневой). Поскольку такие насосы являются низкооборотными, и эффективность их работы некритична к частоте и стабильности вращения приводного вала, то в этом случае можно обойтись и без мультипликатора, что также упростит и удешевит конструкцию. Насос размещается на турбине или рядом с ней и для отбора мощности соединяется с выходным валом турбины при помощи цепной, ременной, или карданной передачи. Входной патрубок насоса опускается в водоём (канал), в котором расположена турбина, выходной патрубок соединяется с напорным трубопроводом, подающим воду. Таким образом, возможно создание комплексного агрегата «гидротурбина-насос».
Для сравнения можно рассмотреть два возможных варианта размещения агрегата в водотоке.
1-ый вариант: весь агрегат может быть расположен на понтоне, находящемся в русле водотока [7] (рис.3).
Рис. 3. Русловое (понтонное) размещение свободнопоточной турбины - нижнебойных водяных колёс с параллельной компоновкой
Fig. 3. Allocation of the free-flow turbine in the bed of the river or channel (pontoon allocation)
На понтоне возможно установить агрегаты как в параллельном так и а последовательном порядке, что позволит повысить количество производимой энергии. Недостатком этого метода является необходимость использования понтона, что увеличивает стоимость всего агрегата. Также понтоном перекрывается значительная часть русла водотока и ухудшается мобильность техобслуживания агрегата.
2-ой вариант - береговое размещение [8] (рис.4). При этом способе необходимо произвести строительные работы возле берега водотока, с вбиванием свай в дно для крепления агрегата. В этом варианте грузоподъёмные механизмы для монтажа/демонтажа могут располагаться на берегу, что увеличивает оперативность техобслуживания агрегата. Однако при таком варианте размещения несколько ухудшается обтекание турбины водой, что негативно сказывается на её мощности. Кроме того, недостатком этой компоновки является, то, что агрегат будет строго привязан к месту водотока, в отличие от понтона, который при необходимости и при минимальных затратах может быть передислоцирован на другой участок русла.
Рис. 4. Береговое (консольное) размещение свободнопоточной турбины – водяного колеса
Fig. 4. Allocation of the free-flow turbine in the bank of the river or channel (console allocation)
Наиболее оптимальный из этих вариантов может быть выбран в зависимости от конкретных условий выполнения проекта - наличия удобного участка русла, ширины водотока, возможностей изготовления понтона или монтажно-строительных работ для установки свай и закладных частей на берегу и т.п. Однако в перспективе, могут разрабатываться оба варианта компоновки, поскольку каждый из них имеет свои достоинства, и оба этих варианта будут иметь применение в промышленности и сельском хозяйстве.
Следует отметить, что эта технология, в перспективе может быть адаптирована путём подключения к турбине электрогенератора для производства электроэнергии, что позволит создавать на её базе малые ГЭС.
Предлагаются варианты сотрудничества.
ВЫВОДЫ
В заключении рассмотрим сравнительные преимущества при использовании подобных технологий относительно плотинных и традиционных бесплотинных ГЭС:
• низкая стоимость капвложений – по приблизительным подсчётам 150-450 дол/кВт в отличие от плотинных ГЭС, где она составляет более 1000 дол/кВт и традиционных свободнопоточных – от 3000 дол/кВт и выше
• кратчайшие сроки ввода в эксплуатацию (60-180 дней после начала строительства). Для плотинных станций этот срок определяется годами и десятилетиями;
• отсутствие водохранилища (экологический эффект). Свободнопоточные турбины работают как искусственные аэраторы воды, насыщающие воду кислородом, что благоприятно воздействует на фауну и в целом на экосистему водотока;
• отсутствие затрат в зоне затопления водохранилищем за отсутствием такового;
• отсутствие вспомогательных механизмов и устройств (маслохозяйство, компрессорные установки, лекажные агрегаты, сервомоторы и т.п.), что повышает надежность;
• минимальные затраты на обслуживание;
• отсутствие необходимости создания инфраструктуры вокруг ГЭС (авто- и ж/д дороги, поселки строителей и эксплуатационников и т.п.);
• отсутствие необходимости выбора створа плотины, т.е. возможность монтажа в любом удобном месте, мобильность;
• приближенность к энергопотребителям (отсутствие ЛЭП и высоковольтных трансформаторов);
• отсутствие угрозы затопления здания станции за отсутствием такового;
• отсутствие угрозы разрушения дамбы за отсутствием таковой (известны мировые прецеденты подобных катастроф);
• удельная мощность в 5-10 раз выше, чем у традиционных свободнопоточных турбин;
• возможность работы в очень широком диапазоне скоростей потока, начиная от 0.2 м/с, при которых традиционные бесплотинные ГЭС работать не могут, следовательно, более полно используются гидроэнергетические ресурсы.
• децентрализация выработки электроэнергии. Уменьшение концентрации генерирующих мощностей в одном локальном месте, что при аварии выводит из строя значительную часть энергогенерации. (Чернобыльская АЭС-1986 г., Саяно-Шушенская ГЭС-2009 г., АЭС “Фукусима-1”-2011 г.).
Предлагаемая технология может быть востребована во всём мире, в частности в тех районах, где существуют реки, каналы, поверхностные морские или океанские течения. Кроме того, эта технология может быть востребована на трансграничных реках, где существует ограничение на строительство дамб и плотин для нужд традиционной напорной гидроэнергетики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трещалов Г.В. Анализ возможности натурного моделирования режимов работы гидравлической турбины, использующей гидродинамический эффект усиления мощности // Альтернативная энергетика и экология – 2012. – № 11. – C. 37-40 https://elibrary.ru/item.asp?id=18191851
2. Treshchalov G.V. Research into the hydrodynamic effect of boosting power and its full-scale modelling // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology – 2012.– №11. – P. 41-44 https://elibrary.ru/item.asp?id=18191852
3. Трещалов Г.В., Федюк Р.С. Энергетический анализ гидродинамического эффекта Трещалова // Вологдинские чтения: материалы науч. конф., Владивосток, декабрь 2011. Изд. дом ДВФУ, 2012. – с. 162-164 https://elibrary.ru/item.asp?id=18166093
4. Трещалов Г.В. Высокоэффективный способ извлечения энергии из безнапорного потока текущей жидкости на основе специфического гидродинамического эффекта // Экономика и производство – 2008. – №2. – C.71-77. https://elibrary.ru/item.asp?id=11521752
5. Treshchalov G.V. A highly efficient method for deriving energy from a free-flow liquid on the basis of the specific hydrodynamic effect // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology – 2010.– №12. – P. 23-29 https://elibrary.ru/item.asp?id=15616169
6. Патент РФ №2007135381/20 25.09.2007
Трещалов О.В., Трещалов Г.В. Турбина со спаренными рабочими колесами и обратной связью между ними // Патентная заявка.
7. Беляков П.Ю. Современное состояние мировой гидроэлектроэнергетики и ее развитие // Электротехнические комплексы и системы управления – 2008. – № 4. – C. 18-22
8. Липкин В.И., Богомбаев Э.С. Микрогидроэлектростанции: пособие по применению – // Программа Развития ООН, Бишкек – 2007. – 33 с. ISBN 978–9967–24–643–0
9. Трещалов Г.В. Альтернативная гидроэнергетика: сб. науч. тр. – Lambert Academic Publishing, 2012. – 69 с. ISBN 978-3-659-22020-3
Дата публикации: 6 февраля 2013
Источник: SciTecLibrary.ru
ГЭС дачного масштаба
| 2 ноября 2012, 20:40 Фото: rushydro.ru Текст: Ольга Самофалова |
Ученые в Сибири разработали инновационную микроГЭС мощностью 5 кВт, которой для работы не требуется ни плотина, ни рукав реки. Она может выдавать энергию даже подо льдом. Такие мини-ГЭС смогут осветить самые отдаленные уголки страны и при цене в 700 тыс. рублей заинтересовать даже дачников, считают эксперты.
Сибирский федеральный университет совместно с научно-производственным объединением «Радиосвязь» собираются выпустить первый промышленный образец уникальной микроГЭС. До конца ноября в Красноярске планируется установить первую такую гидроэлектростанцию, рассказал газете ВЗГЛЯД руководитель проекта, заведующий кафедрой Сибирского федерального университета Михаил Головин.
Существующим зарубежным и российским аналогам требуется либо плотина, либо рукав реки с достаточно сильным потоком. Нашей станции это не нужно
«Гидростанция мощностью 5 кВт будет установлена в одном из самых любимых мест отдыха горожан – на острове Татышева. ГЭС будет поставлять электроэнергию для уличного освещения», – уточнил Головин «Интерфаксу».
Уникальность этой мини-ГЭС в том, что ей для работы не требуется поток воды. «Существующим зарубежным и российским аналогам требуется либо плотина, либо рукав реки с достаточно сильным потоком. Нашей станции это не нужно – она может работать даже в замерзшей воде, подо льдом», – отметил руководитель проекта. Речь идет о создании альтернативного источника электроснабжения – свободнопоточной погружной микроГЭС.
Свободнопоточные ГЭС работают сейчас только в Англии, есть одна напорная станция в России (Кислогубская ПЭС на Кольском полуострове), рассказывает газете ВЗГЛЯД Михаил Головин. «Однако они работают на приливной энергии, так как в этих местах имеются высокие океанские приливы, многие вещи решены по-другому. Но эти установки куда большей мощности, а не уровня микроГЭС. Мы же создали такой вариант в микроэнергетике, потому что в Красноярском крае и других районах России много мест, где водный поток позволяет отобрать энергию без рукава и без плотины, а значит, без земляных работ. Энергии будет меньше, но это очевидно, так как чудес в природе не бывает», – рассказывает Михаил Головин.
«Очередной этап работы коллектива разработчиков СФУ – поставить на эксплуатацию первый образец промышленной партии, изготовленный на ФГУП «НПП «Радиосвязь», и подготовить серийное производство микроГЭС. Сейчас всем нужна проверка в длительной эксплуатации. Серьезная задача на этом этапе – снижение цены на серийный продукт одновременно с повышением потребительских свойств товара, выявление его реального ресурса», – говорит газете ВЗГЛЯД Михаил Головин.
Стоимость первой красноярской микроГЭС составит 1 млн рублей, однако при запуске в серийное производство рыночная ее цена должна снизиться до 700 тыс. рублей. «Мы посчитали вместе со своими партнерами – ФГУП «НПО «Радиосвязь», что при минимизации всех издержек рыночная стоимость ГЭС мощностью 5 кВт составит 650–700 тыс. рублей», – говорит Головин. Средства на строительство первого промышленного образца мини-ГЭС в размере 1 млн рублей, по его словам, были выделены в 2012 году из краевого фонда науки.
МикроГЭС
На эту тему
| · Россия снова построит ГЭС в Таджикистане при одном условии · Siemens решил отказаться от проектов по солнечной энергетике · Средней Азии посулили 300-метровое цунами · Экономисты сомневаются в реальности планов Грузии · Путин запустил карельскую ГЭС · Новые власти Грузии хотят импортировать электроэнергию из РФ |
Как говорится в каталоге научных разработок Сибирского федерального университета, речь идет о создании свободнопоточной погружной микроГЭС. Основные преимущества свободнопоточных микроГЭС – это отсутствие земляных и инженерных работ в местах установки и экологическая чистота. Кроме того, стоимость 1 кВт/час такой ГЭС составит менее 1,5 рублей, а стоимость 1 кВт установленной мощности будет в 2–15 раз меньше, чем для плотинной и рукавной ГЭС.
Кроме того, авторы проекта намерены серийно производить микроГЭС в целом, а не энергоблок, как в большинстве случаев. Плюс также в том, что такую ГЭС будет достаточно просто доставить на место и смонтировать, так как конструкция отличается мобильностью за счет агрегатирования. Стоимость затрат на обслуживание такой микроГЭС будет в 12–20 раз меньше, говорится в документе.
МикроГЭС создает социальный, экологический и экономический эффект. Экономический эффект заключается в снижении стоимости электроэнергии в 3–22 раза, указывается в документе.
Авторы проекта уже получили семь патентов РФ на изобретения и пять свидетельств о регистрации программного продукта в Роспатенте. Сейчас главная задача авторов проекта в изготовлении, испытании и сертификации промышленного образца микроГЭС, подготовлении серийного производства и создании службы сервисного обслуживания. Кроме того, авторы проекта хотят расширить типоразмерный ряд микроГЭС за счет увеличения единичной мощности энергоустановки до 100–200 кВт.
Потенциальный спрос
Сейчас строительство малых ГЭС в России невыгодно из-за отсутствия дешевых технологий использования водной энергии при низких напорах, говорят газете ВЗГЛЯД в пресс-службе РусГидро. Но строительство объектов возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе мини- и микроГЭС, необходимо. В России имеется большой потенциал для разворота масштабного строительства гидроузлов малой мощности. Однако прокомментировать реальность создания Сибирским федеральным университетом микроГЭС в РусГидро не берутся без знания технических деталей проекта.
Этого будет достаточно для обеспечения электроэнергией целого коттеджа площадью 600 квадратных метров
Сам Михаил Головин считает: «Потенциальный спрос на наши микроГЭС велик по всей России. Только в удаленных северных районах Красноярского края около 20% населенных пунктов не имеют света вообще».
В некоторых районах страны, по его словам, обычные мини-ГЭС не подходят, так как нельзя строить плотины. «Например, на Алтае вообще запрещено перегораживать реки, поэтому плотин там в принципе быть не может, даже если без света сидишь», – рассказывает Головин.
«Кроме того, ставя плотину, всегда создаем экологические проблемы. К примеру, на Саяно-Шушенской ГЭС перепад верхнего и нижнего уровня воды более 40 метров, и это зона, где жизнь не может адаптироваться и гибнет. Использование плотин и рукавов при жестких морозах зимой в Сибири приводит к выходу такой ГЭС из строя. Если не принять специальных мер, не утеплить водоводы и т. п., то низкая температура приводит к перехватыванию водовода, ГЭС прекратит вырабатывать энергию», – рассказывает собеседник газеты ВЗГЛЯД.
Представитель компании «АЭнерджи» также считает, что потенциальный спрос на такие микроГЭС в России огромен, в том числе со стороны дачников. «Если действительно микроГЭС будет стоить 600–700 тыс. рублей, думаю, они смогли бы продавать несколько тысяч в год таких установок», – говорит газете ВЗГЛЯД эксперт.
«Мощность микроГЭС в 5 кВт/час – это немало. Если эта станция действительно сможет постоянно вырабатывать 5 кВт/час, значит она сможет вырабатывать как минимум 100 кВт в сутки или 3600 киловатт-часов в месяц. Этого будет достаточно для обеспечения электроэнергией целого коттеджа площадью 600 квадратных метров, если, конечно, не топить улицу зимой. Единственное – в пиковое потребление, когда вы одновременно включаете и микроволновку, и утюг, и другие электроприборы, 5 киловатт может быть недостаточно. Но эту проблему можно решить другими специальными приборами», – рассказывает собеседник газеты ВЗГЛЯД.
Поэтому, по его мнению, спрос на такие микроГЭС может быть большим со стороны дачников, однако все это будет полулегальным. «Проблема в том, что если рядом с дачей течет речка, то она все равно находится в федеральной собственности. Поэтому узаконить даже маленькую ГЭС для частных нужд в нашей стране очень сложно. Дачникам придется ставить ее нелегально, а это значит, что в любой момент могут нагрянуть и отобрать», – отмечает эксперт. «Впрочем, такие микроГЭС нужны далеко не только дачникам, а по всей России – для удаленных деревень, погранзастав, военных городков, метеостанций, охотничьих домиков и т. д., где нет света, а речек полно», – добавляет он.
Другое дело, что эксперт компании «АЭнерджи» сомневается в реальности существования такой безнапорной микроГЭС. «До сих пор это казалось сказкой. Мы такие высказывания уже не раз слышали от наших ученых и изобретателей, но пока никто ни разу на практике это не доказал. Для того чтобы турбина крутилась, должен быть напор, который можно создать либо с помощью естественного водопада, либо с помощью искусственного водопада благодаря созданию плотины. А просто погрузить механизм в речку, даже если она быстро бежит, этого может быть недостаточно для создания энергии», – считает собеседник.
К примеру, РусГидро тоже ведет разработки в области мини-ГЭС с помощью дочернего общества «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» (НИИЭС). «Уже несколько лет в НИИЭС разрабатывается технологическая платформа «ортогональных гидроагрегатов». Достигнутые результаты показывают возможность адаптации разработанных ортогональных турбин к параметрам мини-ГЭС с низкими напорами (от 1 до 5 метров). Общая цель проекта – создание типового быстровозводимого энергоблока для мини- и малых ГЭС предназначенного для условий работы на низких напорах, в том числе в составе временных грунтовых подпорных сооружений», – рассказали газете ВЗГЛЯД в пресс-службе компании.
Однако этот проект пока далек от промышленного производства. В настоящее время завершен только первый этап работ – выбор основных характеристик и создание эскизного проекта.