Nowatorska mikroelektrownia rzeczna

Wykorzystanie energii płynącej wody bez budowania spiętrzeń budziło zainteresowanie już od dawna. W ostatnim latach zaprojektowano i opatentowano urządzenie przetwarzające energię płynącej wody na energię mechaniczną lub elektryczną, które zostało nazwane turbiną ślimakową. Podstawową zaletą urządzeń wykorzystujących przepływ wody są stosunkowo niewielkie nakłady finansowe oraz minimalna ingerencja w środowisko. Do współpracy z tymi turbinami zaprojektowano i wykonano prototypy prądnic synchronicznych o niskiej znamionowej prędkości obrotowej.

Energia płynącej wody

Energia wody płynącej jest równa energii kinetycznej:

Obliczona ze wzoru (4) moc jest tylko teoretyczna, praktycznie dostępna moc wynika ze stopnia utraty prędkości wody przed oraz za turbiną i wartość jej jest znacznie mniejsza.
Zasoby energii płynącej wody są ogromne, jednak energia ta jest rozproszona i nie jest możliwe uzyskiwanie znacznych ilości energii z pojedynczych urządzeń bowiem, jak wynika
ze wzoru (3) moc hydrauliczna płynącej wody zależy od powierzchni obszaru, przez który przepływa woda, a wielkość ta jest ograniczona względami technicznymi, głębokością rzeki
itp., ponadto zależy ona od trzeciej potęgi prędkości płynącej wody, a wiadome jest, że w większości rzek prędkość ta nie jest zbyt duża i wynosi zwykle 1 – 2 m/s.
Podstawową zaletą urządzeń wykorzystujących przepływ wody jest minimalna ingerencja w środowisko – nie jest konieczne budowanie kosztownych zapór – oraz stosunkowo niewielkie nakłady finansowe.

Przykłady konstrukcji elektrowni przepływowych

Wykorzystanie energii płynącej wody budziło zainteresowanie już od dawna. przykładem mogą być koła wodne stosowane do nawadniania pól. Do czasów dzisiejszych
zachowały się takie budowle, zbudowane w okresie średniowiecza w syryjskim mieście Hama, urządzenia te o średnicy dochodzącej do 20 m czerpały kiedyś wodę z rzeki i systemem kanałów nawadniających rozprowadzały ją po dolinie.

Pływająca elektrownia z kołem wodnym

W Japonii zbudowano elektrownię wykorzystując koło wodne zainstalowane na pływakach – konstrukcja przypomina tzw. rower wodny. Koło wodne ma mniejszą sprawność niż turbiny jest jednak mniej wrażliwe na zanieczyszczenia płynące w wodzie oraz jest proste w budowie. Elektrownia taka jest praktycznie niewrażliwa na zmiany poziomu wody, nie ingeruje w bieg rzeki i migracje ryb.

Elektrownia firmy Ampair

Angielska firma Ampair produkuje elektrownie o innej konstrukcji, ale do stosowania których też nie jest konieczne spiętrzenie wody. Można je montować pod różnego rodzaju kładkami, mostami czy platformami.
Całkowicie zanurzalny w wodzie hydrozespół składający się z turbiny wodnej, podobnej do śruby okrętowej połączonej z prądnicą jest przewidywany do stosowania w szybko płynących ciekach wodnych.
Średnica śmigła wynosi 312 mm, uzyskiwana moc 100 W przy prędkości wody 4 m/s. Masa urządzenia wynosi 10 kg.

Elektrownia ze spiralną turbiną Gorlova

Konstrukcja turbiny wodnej Gorlova podobna jest do konstrukcji turbiny wiatrowej Savoniusa. Z turbiny tej poprzez przekładnie klinową napędzana jest prądnica. Wadą tego
typu rozwiązania jest to, że zastosowanie jest możliwe tylko na ciekach o dość dużej głębokości.
Model takiej elektrowni zbudowano na rzece Merrimack (Massachusetts. USA) oraz w Korei Południowej.

Koncepcja turbiny ślimakowej

W roku 2006 opatentowano urządzenie przetwarzające energię płynącej wody na energię mechaniczną lub elektryczną. Urządzenie to zostało nazwane turbiną ślimakową.
Cechy konstrukcyjne pozwalają na korzystanie z turbiny w ciekach wodnych stosunkowo płytkich bez stosowania kosztownych spiętrzeń, moment obrotowy jest przenoszony do odbiornika (prądnicy) za pomocą specjalnego wału. Prądnica może być zainstalowana na pomoście, brzegu akwenu lub na zakotwiczonym urządzeniu pływającym.

Obliczenia energetyczne i ekonomiczne turbiny ślimakowej

Moc hydrauliczną Ph strumienia cieczy obliczono według wzoru (4). Sprawność turbiny ηt (iloraz mocy wydawanej na wale turbiny P1 do mocy hydraulicznej strumienia Ph) wynosi:

W tabeli 1 przedstawiono obliczenia dla następujących założeń: sprawność turbiny ηt = 0,6, sprawność prądnicy ηe = 0,8, sprawność hydrozespołu ηh = ηe • ηt = 0,48, Suma uzyskanych przychodów za wyprodukowaną energię elektryczną rocznie (turbina pracuje przez 8 miesięcy – 5800 h) Sp/rok. Obliczenia wykonano dla czterech średnic turbin 0,3; 0,5;
1,0 i 1,5 m oraz dla prędkości wody od 1 do 3 m/s. P – moc uzyskiwana z hydrozespołu.
Wykonane obliczenia wskazują, że inwestycja może być opłacalna w przypadku instalacji większej liczby hydrozespołów, np. 10. Przy czym jeśli prędkość wody jest większa
niż 3 m/s średnica turbiny może wynosić 0,3 m, dla średnicy 1,5 m wystarczy prędkość wody 2 m/s.
Stosunkowo niewielka gęstość mocy płynącej wody oraz ograniczenia wynikające z głębokości powodują, że celowe będzie stosowanie wielu hydrozespołów pracujących na
wspólny odbiornik.
Przewiduje się, że w systemach tych stosowane będą prądnice synchroniczne. Hydrozespoły pracujące w różnych miejscach cieku będą miały różne prędkości obrotowe,
a wytwarzane napięcie będzie miało różną częstotliwość.

Bezpośrednia praca równoległa prądnic przy takich warunkach będzie niemożliwa. Należy każdą prądnicę wyposażyć w prostownik i pracę równoległą realizować po stronie
prądu stałego.