Вижте  видео  на  модулна  хидрокинетична електроцентрала  тук !

Всяко речно или морско течение носи кинетична енергия на движещата се вода. Съгласно конвенционалната флуидодинамика тази кинетична енергия зависи от масата и скоростта на флуида, обработван от хидрокинетичния преобразувател. Такъв подход означава да разглеждаме процесът в системата “воден поток, пресичащ преобразувателя на енергия – полезна преобразувана мощност” като затворен процес в една изолирана система от външни въздействия. Новото в трактовката на работата на хидрокинетичните турбини е пряко следствие от факта, че отдаваната мощност на вала на турбината се увеличава за сметка и на кинетичната енергия на водния поток, непресичащ ротора й.

Налага се кратко да се обясни този, на пръв поглед, парадокс. Известно е, че идеално затворена система практически няма. А хидрокинетичните преобразуватели са поставени във водни течения, където сравнително малка част от водата преминава през тях. Затова системата е широко отворена, защото околната вода взаимодейства с водата, минаваща през енергийния преобразувател и то по всяко време: преди да навлезе в него, след като навлезе – в процеса на преминаване и след като излезе водата от преобразувателя. Т.е. взаимодействието с околната вода никога не се прекъсва и затова има непрекъснат обмен на кинетична и други видове енергия между преминаващата през хидрокинетичното устройство вода и останалата около него. Естествената посока на преминаването на енергията е от по-високата енергия на околната вода към по-ниската на преминаващата през преобразувателя, където тя интензивно се превръща в полезна енергия.

Изборът на конкретна технология , конструкция и устройство, най-подходящо за съответните течения, има решаваща роля за ефективната работа на всяка хидрокинетична инсталация. За съжаление тези процеси не са добре изучени и много изследователи, експлицитно или имплицитно, презумират, че само енергията на преминаваща вода през преобразувателя може да се преобразува в друга – т.е. разглеждат затворена термодинамична система, без да отчитат значителното влияние на околното водно течение, което благодарение на огромните междумулекулни сили във водата и нейната практическа несвиваемост “увлича” водния поток през преобразувателя и го “изтегля “ след него. С други думи немалка част от енергията на околния поток се предава на този, минаващ през преобразу-вателя, поради отворения характер на системата. Фактически всяка отворена хидрокинетична инсталация оползотворява не само енергията на преминаващата вода през нея, но и не малка част от тази на околния воден поток. Разбирането на изложения физически факт позволява да се конструират подходящи турбини, които максимално да се възползват от тази допълнителна енергия. Именно при оразмеряването и проектирането на турбините прилагаме нашето ноу-хау.

При водонапорните централи се използва кинетичната енергия на водата, за сметка на изкуствено създадения воден пад. Това е една високо екстензивна хидротехнология, която не включва пълноценно ползването на всички природни свойства на водата.

При съвременните имплозивни технологии ефективността на хидрокинетичните електроцентрали (ХКЦ) може да стане по-висока от тази на ВЕЦ. Ползването на водната енергия е познато от древността. Например, чрез частично потопени водни колела на повърхността на водно течение, било речно, било на приливите и отливите или друго. Тези, и подобни на тях, технологии са изоставени, защото не са ефективни. При водните колела само част (потопената) от ротора върши полезна работа, макар и съпроводена с немалки загуби от съпротивление.

Хидроенергийният потенциал на едно речно течение не зависи от броя и завиряването на язовирите по него, а от дебита и денивелацията на реката. Само движеща се вода може да върти турбините във ВЕЦ. Заприщването и спирането на водата и последващото й пускане към турбините по изкуствени деривации, тръби и други съоръжения може да се избегне. Това става чрез преобразуватели на кинетичната енергия на свободното водно течение (например напълно потопени турбини), които се монтират направо в реките. А това има поне два положителни ефекти: първо е значително по-евтино и второ - напълно природо-съобразно.

Съществена принципна разлика между ВЕЦ и хидрокинетичните елекцентрали е, че турбините във ВЕЦ използват ЕДНОКРАТНО постъпващата вода с висока енергийна плътност, в резултат на изкуствено създадения воден напор, а предлаганите технологии  за ХКЦ използват МНОГОКРАТНО безнапорно течащата вода с естествено ниска енергийна плътност. Повече по темата може да видите тук.

От патент на САЩ № US 3372905 e известен метод за производство на електроенергия, чрез вертикално-осева турбина, потопена в басейн, от който изтича вода на по-ниско ниво и така се предизвиква стабилен водовъртеж в него. Следвайки метода е изобретена водноелектрическа централа. Една такава е описана и в патент на Австрия № AT 413579B. В нея водата постъпва по канал, който пълни овален басейн, където стабилно се върти под въздействието на Кориолисовите сили, изтичайки през отвор в дъното на басейна, към по-ниско водно ниво, поради гравитационните сили. Във водовъртежа е монтирана една вертикално-осева турбина, която се върти от водовъртежа, а към нея е свързан електрогенератор.

Недостатъци на познатата водноелектрическа централа са нейната ниска енергийна производителност, поради ниската ефективност на лопатите на турбината при преобразуване на кинетичната енергия на водата във водовъртежа в механична енергия на вала на турбината и липсата на възможност оптимално да се настройват лопатите на турбината, в зависимост от условията на водовъртежа.

Предимствата на гравитационна водовъртежна водноелектрическа централа, съгласно изобретението са, че чрез нея се постига висока степен на преобразуване на кинетичната енергия на водовъртежа в полезна механична енергия, работата й в широк скоростен диапазон на водовъртежа и възможностите за оптимално настройване на междината между овалните стени на всяка лопата, с оглед максимизация на преобразуването на кинетичната енергия на водата. Въртенето на земята около оста й поддържа стабилно въртеливо движение във водовъртежния басейн. Водовъртежът има има повече енергия, в сравнение със случая на обикновен воден пад, защото към гравитационната енергия се добавя и кинетичната на въртенето на водата. Познати са турбини, които преобразуват енергията на въртящата се вода в механична, по по-ефектен начин от турбините, които се ползват в конвенционалните гравитационни ВЕЦ. Тази по-висока ефективност следва от фактите, че при водовъртежните турбини не се използват направляващи апарати, които не само оскъпяват известните напорни турбини в конвенционалните  ВЕЦ, но намаляват ефективността им и усложняват и оскъпяват оперативното им обслужване.

Основно предимство на водноелектрическа централа е, че тя е високо енергоефективна. Водната турбина се върти съпротивлявайки се на въртящия се воден поток, който я увлича с въртенето си, като всяка съпротивителна турбина - например от типа на Савониус, по-известна за вятърни приложения. Кухите лопати, в случая на изобретената електроцентрала, формират и две допълнителни реактивни сили, въртящи турбината. Едната сила е в резултат на водния напор върху вдлъбната страна на лопатата, под който напор водата навлиза през отворите в нея и излиза под налягане през периферните й процепи. Втората реактивна сила е в резултат на центробежните сили, които повишават налягането на водата в кухината на всяка лопата и я изтласкват пак към периферните й процепи. И тя излиза под налягане през тях, защото водният напор върху вдлъбната страна на лопата не й позволява да излиза през нейните отвори на вдлъбнатата й страна. Сумата от двата описани ефекта предизвикват непрекъснато изтичащи под налягане струи през процепите, тангенциално на траекторията на въртене на перифериите на лопатите, което допълнително ускорява въртенето на турбината. Центробежната сила е пропорционална на квадрата на оборотите на турбината, независимо дали тя се върти с постоянни, увеличаващи се или намаляващи се обороти. Реактивните турбини по принцип са почти еднакво високо ефективни в широк диапазон на изменение на дебита на водата - например от 30 до 100%, което съвсем не е така при конвенционалните напорни турбини.

Съществено предимство на водноелектрическа централа, съгласно изобретението, следва от факта, че изтичащата реактивна струя зад всяка лопата намалява вихрите, образувани в периферната й част, което намалява и съпротивлението на лопатата при въртенето, съответно - увеличава се коефициентът на полезното действие на турбината като цяло.

Подходящи места за изграждане на  водовъртежни ВЕЦ са също до каналите, по които изтича водата от турбините на традиционните ВЕЦ, деривациите и водните тунели между язовирите и други подобни. В тези случаи може да се направи енерго-ефективна комбинация между  водовъртежни ВЕЦ и безнапорни хидрокинетични ВЕЦ, които са описани по-подробно тук.

Система за производство на електричество от водни течения с реактивни Савониус турбини

(По-долу е част от патентното описание)

Техническа същност на изобретението
Цел на настоящото изобретение е да се създаде нескъпа система за производство на електричество от водни течения с реактивни Савониус турбини, произвеждаща евтино електричество, чиито Савониус турбини да бъдат много по-ефективни от познатите досега и да имат обща енергоефективна трансмисия, включваща един, монтиран над водата, общ агрегат, в който оборотите на турбините се сумират и се увеличават, и един общ електрогенератор, също монтиран над водата.

Предимствата на системата за производство на електричество от водни течения с реактивни Савониус турбини, съгласно изобретението са, че чрез нея се постига висока енергийна при преобразуване на кинетичната енергия на водния поток в електрическа енергия, защото лопатите й са по-енергийно ефективни и диференциалният механизъм, в общата диференциално-скоростна кутия, сумира оборотите на двете турбини, последвано от увеличаването им в мултипликаторната част от диференциално-скоростната кутия. Благодарение на общия диференциалния механизъм, всяка от двете турбини се върти независимо от другата, което дава възможност поотделно да се максимизира производителността им. А общата трансмисия за двете намалява трансмисионните загуби за хидроелектроцентралата като цяло.

Основно предимство на системата за производство на електричество от водни течения с реактивни Савониус турбини, съгласно изобретението са, че турбините й се въртят, не само защото се съпротивляват на водния поток. Кухите им лопати формират и две допълнителни въртящи реактивни сили. Едната е в резултат на водния напор върху вдлъбната страна на лопатата, под който напор водата навлиза през отворите в нея и излиза под налягане през периферните й процепи. Втората допълнителна реактивна сила е в резултат на центробежните сили, които изтласкват водата пак към периферните й процепи. И тя излиза под налягане през тях, защото водният напор върху вдлъбната страна на лопата не й позволява да излиза през нейните отвори на вдлъбнатата й страна. Сумата от двата описани ефекта предизвиква непрекъснато изтичащи под налягане струи през процепите зад лопатите, независимо какво е положението на турбината спрямо посоката на течението, което допълнително ускорява движението на лопатите и значително спомага за по-плавното въртене на турбината и в крайна сметка значително увеличава мощността на всяка турбина по отделно и на мощността на системата като цяло.

Технологични и икономически предимства на системата за производство на електричество от водни течения с реактивни Савониус турбини са следствия от това, че реактивни Савониус турбини могат да се произвеждат от полуцилиндрични тръби, а основните агрегати в трансмисията й се заимстват от масово произвежданите диференциално-скоростни кутии за автомобилостроенето, например. Също така, масово се произвеждат електрогенератори и електронни силови преобразувателни устройства, което намалява цената им.

Икономическо предимство на системата за производство на електричество от водни течения с реактивни Савониус турбини, съгласно изобретението, е че се използват общи основни агрегати за всяка двойка турбини. Така се намаляват инвестиционните разходи при изграждането й, а надводния монтаж на агрегатите опростяват и поевтиняват експлоатационното й обслужване. Съответно, себестойността на произведеното от нея електричество е ниска.

Инвестиционните преимущества на вложенията за строителните и монтажните работи при инсталирането системи за производство на електричество от водни течения с реактивни Савониус турбини, съгласно изобретението, са че се възвръщат бързо, защото са ниски не само поради ниската себестойност на турбините, и прилагането на евтини, масово произвеждани, агрегати, но и защото напълно се избягва изграждането на водохващания, бентове или язовирни стени, напорни тръбопроводи и т.н..

Бизнес                 Проекти                   Технология                 Главно меню