Безгреблева гідроелектростанція на основі напівзанурених гідротурбін

Безгреблева гідроелектростанція на основі напівзанурених гідротурбін - комплекс споруд та обладнання з використанням секційних напівзанурених гідротурбін різної конструкції, з різними способами їх кріплення (фіксації) у водяному потоці, які дозволяють перетворювати енергію плинної води в електрику, не використовуючи греблі. Агрегат з напівзануреною гідротурбіною включає: гідротурбіну HT, трансмісію TRN, редуктор RD, гідрогенератор (електрогенератор) НG та електричний адаптер EА. Гідротурбіна складається з певного числа N_S однакових секцій 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, посаджених на спільну вісь SH. Кожна секція турбіни є ротором, на зовнішній частині якого по діаметру закріплені лопаті.

Потужність секційної напівзануреної турбіни визначається геометричними розмірами її конструктивних елементів: радіусом ротора R_HT (діаметром 2R_HT), шириною лопатей (секції) L_BL, кутовою відстанню між лопатями Δα, лінійним зазором між секціями Δ_S та числом секцій N_S. Величина зазору між секціями Δ_S вибирається із умови максимального використання напору водяного потоку. Площа поперечного перетину водяного потоку А_HD зв'язана з довжиною гідротурбіни L_HT виразом:

А_HD = L_HT·R_HT = N_S·(L_BL + Δ_S)·R_HT.                   

Механічна вісь SH жорстко поєднує між собою секції турбіни й передає крутний момент від турбінної системи НТ через редуктор RD та трансмісію TRN на гідрогенератор НG. Редуктор RD збільшує кутову частоту обертання ω ротора гідрогенератора НG. При зміні водяного напору може використовуватися система стабілізації швидкості обертання ротора гідрогенератора. Гідрогенератор НG є електродинамічною системою, яка перетворює кінетичну енергію обертання ротора гідротурбіни і, відповідно, ротора гідрогенератора в електричну енергію. Електричний адаптер EА формує параметри електричного струму (силу струму і, напругу u та частоту f), які придатні для використання його споживачами та/або спрямування в електричну мережу.

Агрегат на основі секційної напівзануреної гідротурбіни функціонує наступним чином. Гідротурбіна НТ встановлюється в потоці води WF так, що половина її ротора занурена у воду, вісь обертання ротора гідротурбіни SH збігається з поверхнею води, а потік води спрямований перпендикулярно осі. В процесі роботи потік води тисне на лопаті ротора гідротурбіни, спричиняючи його обертання навколо осі. Кінетична енергія водяного потоку перетворюється в кінетичну енергію обертального руху ротора гідротурбіни і ротора гідрогенератора, електродинамічна система гідрогенератора НG перетворює кінетичну енергію ротора в електричну енергію. Електричний адаптер EА формує параметри електричного струму (силу струму і, напругу u та частоту f), які роблять його придатним для використання споживачами та/або для спрямування в електричну мережу.

Потужність агрегату P_EL на основі секційної напівзануреної гідротурбіни визначається розмірами її конструктивних елементів (радіусом R_HT, шириною лопатей L_BL, числом секцій N_S, зазором між секціями Δ_S) та фізичними параметрами робочого тіла (густиною води ρ_HD та швидкістю водяного потоку v_HD)_. З урахуванням виразів (7) та (9) маємо [3]:

P_EL = k_HA·P_HD = k_HT·k_HG·P_HD =

       = 0,5·k_HT·k_HG·ρ_HD·N_S·(L_BL + Δ_S)·R_HT·v_HD³.

З метою підвищення потужності агрегати на основі секційних гідротурбін можуть встановлюватися каскадами й утворювати безгреблеві ГЕС. Потужність каскадної гідроелектростанції P_CS визначається як сума електричних потужностей окремих гідроенергетичних агрегатів:

P_CS = 0,5·k_HT·k_HG·ρ_HD·N_CS·N_S·(L_BL + Δ_S)·R_HD·v_HD³.  

де N_CS – число агрегатів у каскаді ГЕС.

Для  того, щоб повністю використати силу водяного потоку, гідротурбіни встановлюються у потоці поперек річки і закріплюються на понтоні або консольно. Кожен тип кріплення має свої переваги й недоліки.

Безгреблеві^{[недоступне посилання]} гідроелектростанції з понтонним (a) та консольним (b) кріпленням напівзанурених гідротурбін.

Безгреблева ГЕС з понтонним кріпленням напівзануреної гідротурбіни складається з понтону PN, секційної гідротурбіни HT, гідрогенератора HG, елементів кріплення MT та якорів AN. Конструкція понтонного типу дозволяє транспортування гідроенергетичного обладнання у разі необхідності змінити місце виробництва електричної енергії. Понтони «прив'язані» до поверхні води рівновеликими силами: ваги гідроагрегату та сили виштовхування води, які діють на понтон, таким чином, понтонний спосіб кріплення забезпечує адаптацію глибини занурення гідротурбіни у разі припливу води. Стале кутове положення гідротурбіни у водяному потоці забезпечується за допомогою якорів AN.

Безгреблева ГЕС з консольним кріпленням напівзануреної гідротурбіни є стаціонарною спорудою. Консоль CL є здовженою металевою балкою, жорстко закріпленою одним кінцем до бетонної бази BS. Другий кінець балки розташований над поверхнею води, до нього кріпиться гідротурбіна HT з гідрогенератором НG. Для досягнення більшої жорсткості консоль спирається на додаткову опору РLN. Консольне кріплення забезпечує надійну фіксацію гідротурбіни у водяному потоці, але звужує можливість зміни місця

Схема каскадної безгреблевої ГЕС з понтонним кріпленням напівзанурених гідротурбін.

виробництва електроенергії. Адаптація гідротурбіни відносно поверхні води виконується по показанням датчика рівня води.

Гідроагрегати каскадної ГЕС з понтонним кріпленням напівзанурених гідротурбін встановлюються вздовж течії один за одним, на відстанях, котрі забезпечують відновлення ламінарного потоку води після проходження ним кожної гідротурбіни.

Безгреблеві ГЕС на основі секційних напівзанурених гідротурбін прості в обслуговуванні і надійні в роботі. Недоліками секційних напівзанурених гідротурбін є відносно великі габарити та видимість у полі зору.

• Безгреблева гідроелектростанція
• Безгреблева гідроелектростанція на основі занурених гідротурбін
• Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція
• Вітротурбінна гідроакумулювальна електростанція на основі руслово-греблевої ГЕС
• Гідроелектростанція
• ТОВ "Ніжинські лабораторії сканувальних пристроїв" 

• Сидоров В.І. Технології гідро- та вітроенергетики. - Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2016. - 166 с.
• Сидоров В.І. Безгреблеві гідроелектростанції на основі занурених та напівзанурених гідротурбін / Промислова електроенергетика та електротехніка. – 2017. - №3 (105). - с. 18-26
• Сидоров В.І. Вітротурбінні технології гідроакумулювання / Промислова електроенергетика та електротехніка. – 2016. - №6. - с. 14-24
• Сидоров, Василь (2016). Зваблення скіфа (Українська). Черкаси: Вертикаль. Видавець Кандич С.Г. с. 316. ISBN 978-966-2783-93-3