1 Определение
Гидрогенератором (рис.1) называют устройство, которое состоит из электрического генератора и гидротурбины, выполняющей роль механического привода. Служит для вырабатывания электроэнергии на ГЭС. Термин «гидрогенератор» используется согласно ГОСТ 5616 для обозначения термина «генератор гидротурбинный».
Рисунок 1 – Общий вид установки
2 Принцип работы
Гидрогенераторы, как правило, имеют меньшую, чем у других установок скорость работы(не более 500 об/мин), но диаметр турбин может достигать 25 метров. Это обусловлено вертикальным расположением генераторов и спецификой их работы. Для вращения турбины используется энергия падающего потока воды.
3 Устройство
Конструкция гидрогенератора определяется, в первую очередь, условиями в которых будет работать электростанция (учитывают напор воды, климат погодные условия и т.д.). Поэтому для каждой ГЭС создаются свои генераторы.
В общем случае гидрогенератор состоит из ротора, статора, крестовины, подпятников и подшипников. Также устанавливаются устройства для охлаждения обмоток.
Рисунок 2 – Ремонт гидрогенератора
4 Характеристики
В настоящее время номинальная мощность гидрогенераторов составляет в среднем 200-400 МВА, частота вращения - 150-400 об/мин, коэффециент мощности – 0,85-0,95.
Ротор имеет большое количество пар полюсов и его диаметр в некоторых случаях может доходить до 16 метров.
Статор (рис.3) располагается внутри специального кожуха и является разборным для упрощения транспортировки и монтирования.
Рисунок 3 – Статор
Напряжение статора влияет на стоимость аппарата. Как правило, оно равно 15-20 кВ.
В качестве систем возбуждения широко применяются системы с тиристорными преобразователями и трехфазными мостовыми системами выпрямления. Системы возбуждения призваны обеспечивать ток и напряжение, которые превышают номинальные не более, чем на 10%.
5 Классификация
По способу расположения:
- Вертикальные
- Горизонтальные
Чаще используются именно вертикальные гидрогенераторы, т.к. они более устойчивы к нагрузкам, создаваемым потоком воды.
Выделяют два основных типа вертикальных генераторов:
- Подвесные
- Зонтичные
Рисунок 4 – Генераторы подвесного и зонтичного типа
Отличаются в основном расположением подпятника. В подвесных генераторах подпятник опирается на на верхнюю крестовину, расположенную на станине статора.
В зонтичных подпятник расположен под ротором и опирается на нижнюю крестовину облегченной конструкции.
При частотах вращения до 200 об/мин гидрогенераторы выполняются преимущественно в зонтичном исполнении, свыше 200 об/мин – в подвесном. При частотах вращения свыше 250 об/мин вертикальные гидрогенераторы выполняются исключительно в подвесном исполнении.
При зонтичной конструкции иногда удается снизить высоту агрегата и машинного зала за счет облегчения верхней крестовины и этим уменьшить также массу агрегата и расход материалов.
6 Расшифровка условных обозначений
Гидрогенераторы имеют следующие условные обозначения:
СВ - синхронный, вертикальный, с косвенным воздушным охлаждением обмоток статора и ротора;
СВИ - синхронный, вертикальный;
И - условное обозначение станции;
СВО - синхронный, вертикальный, обратимый, т. е. может работать в режиме генератора или электродвигателя;
СВФ - синхронный, вертикальный, форсированный, с непосредственным охлаждением обмотки статора водой и ротора воздухом или водой;
СГ - синхронный, горизонтальный;
СГКВ - синхронный, горизонтальный капсульный с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора водой;
ВГС - вертикальный генератор, синхронный;
ВГСФ
ВГДС - вертикальный генератор-двигатель, синхронный. Цифрой после условного обозначения типа основного исполнения гидрогенератора (ВГС2, СВ1, СВ2 и др.) обозначена его модификация,
После буквенного обозначения серии следует дробное число, числитель которого соответствует наружному диаметру, а знаменатель - длине сердечника статора в сантиметрах. Последние цифры обозначают число полюсов ротора, а следующий за ними индекс указывает на климатическое исполнение и категорию размещения гидрогенератора по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70 (У - умеренное; ХЛ - холодное; Т - тропическое; ТВ - тропическое влажное).
7 Использование ГЭС
Преимущества:
- Отсутствие вредных выбросов
- Быстрая окупаемость
- Долгий срок службы
- Возможность быстро изменять режимы работы
Недостатки:
- Сложность постройки
- Зависимость от погодных условий
Заключение
Гидроэнергетика продолжает развиваться, что связано с все сильнее возрастающими нагрузками на электрические сети и необходимостью обеспечивать статическую и динамическую стабильность их работы. Для этого требуется разрабатывать быстроотзывчивые системы возбуждения. При этом опыт многих стран показывает, что полная замена гидрогенераторов может быть экономически выгодна только для машин малой мощности, для остальной же части более целесообразна модернизация действующего оборудования.
Список литературы
1.Мустафин М.А., Шидерова Р.М., Алексеев С.Б., Алмуратова Н.К. – «Электромеханика и электротехническое оборудование. Методические указания к расчетно-графической работе». – Алматы: АУЭС, 2011.
2.Копылов И.П. – «Электрические машины: Учебник для вузов». – 3-е издание, испр. – Москва: Высшая школа, Логос, 2000.
3.ГОСТ 19431-84 "Энергетика и электрификация. Термины и определения"
4.Электрические сети и системы: Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальности 10.04 всех форм обучения. - Норильск, 1991.
Сила водного потока – это возобновляемый природный ресурс, позволяющий получать практически бесплатное электричество. Подаренная природой энергия предоставит возможность сэкономить на коммунальных услугах и решить проблему с подзарядкой техники.
Если рядом с вашим домом протекает ручей или река, ими стоит воспользоваться. Они смогут обеспечить электроэнергией участок и дом. А уж если построена гидроэлектростанция своими руками, экономический эффект возрастает в разы.
В представленной статье детально описаны технологии изготовления частных гидротехнических сооружений. Мы рассказали о том, что потребуется для устройства системы и подключения ее к потребителям. У нас вы узнаете о всех вариантах миниатюрных поставщиков энергии, собранных из подручных материалов.
Содержание статьи:
Гидроэлектростанции непромышленного назначения
Гидроэлектростанции – это сооружения, способные преобразовать энергию движения воды в электричество. пока активно эксплуатируются только на Западе. На территории нашей страны эта перспективная отрасль лишь делает первые робкие шаги.
Галерея изображений
Фото из
Получение электроэнергии при извлечении потенциала воды - одно из перспективных направлений "зеленой" энергетики. Ее плюсы заключаются в использовании неисчерпаемых бесплатных ресурсов планеты с нанесением наименьшего ущерба природной обстановке
К объектам, задействованным в сфере малой гидроэнергетики, относятся мини гидроэлектростанции, вырабатывающие от 3-100 кВт до 25 МВт
Для получения электричества при использовании энергии воды необязательно наличие бурной горной реки или сооружение большой плотины. Достаточно сузить русло небольшой речки или ручья
Турбину небольшой гидроэлектростанции сможет заставить вращаться даже относительно небольшой по объему канал, в который вода поступает из близлежащего водоема или речки
Небольшие ГЭС, устроенные прямо в потоке воды просты, но не позволяют регулировать силу и объем стока. Возможность регулировки обеспечит миниатюрное водохранилище
Наиболее перспективными для организации мини ГЭС являются горные ручьи с характерной разницей высот в русле. Однако подобные условия можно создать и для речки, текущей по равнинной местности
Повысить производительность миниатюрной ГЭС помогут всевозможные водообороты и завихрения, которые можно соорудить искусственно, путем заливки бетонных конструкций
Для увеличения КПД разработчиками малых гидроэлектростанций усовершенствуются турбины. К примеру, обычное колесо с лопастями заменяется многовитковым шнеком
Использование воды для получения электроэнергии
Один из традиционных вариантов малой гидроэнергетики
Сужение канала для извлечения энергии
Устройство направленного на лопасти канала
Приплотинный вариант с небольшим водохранилищем
Разница высоты в русле ручья или речки
Искусственно сооруженное завихрение
Шнековый тип турбины с повышенным КПД
Небольшими частными гидроэлектростанциями могут быть плотины на больших реках, вырабатывающие от десятка до нескольких сотен мегаватт или мини-ГЭС с максимальной мощностью в 100 кВт, которых вполне достаточно для нужд частного дома. Вот о последних и узнаем подробней.
Гирляндная станция с гидровинтами
Конструкция состоит из цепи роторов, закрепленных на гибком стальном тросе, перетянутом поперек реки. Сам трос исполняет роль вращательного вала, один конец которого фиксируется на опорном подшипнике, а второй – активирует вал генератора.
Каждый гидроротор «гирлянды» способен вырабатывать около 2 кВт энергии, правда, скорость водного потока для этого должна быть не менее 2,5 метров в секунду, а глубина водоема не превышать 1,5 м.
Принцип действия гирляндной ГЭС прост: напор воды раскручивает гидровинты, а те вращают трос и заставляют генератор вырабатывать энергию
Гирляндные станции с успехом использовались еще в середине прошлого века, но роль винтов тогда играли самодельные пропеллеры и даже консервные банки. Сегодня же производители предлагают несколько видов роторов для различных условий эксплуатации.
Они комплектуются лопастями разного размера, изготовленными из листового металла, и позволяют получить максимальный КПД от работы станции.
Но хотя в изготовлении этот гидрогенератор достаточно прост, его эксплуатация предполагает ряд специальных условий, не всегда осуществимых в реальной жизни. Такие сооружения перегораживают русло реки, и вряд ли соседи по берегу, не говоря уже о представителях экологических служб, разрешат использовать энергию потока для ваших целей.
Кроме того, в зимний период установку использовать можно только на незамерзающих водоемах, а в условиях сурового климата – консервировать или демонтировать. Поэтому гирляндные станции возводятся временно и преимущественно в безлюдной местности (например, около летних пастбищ).
Роторные станции мощностью от 1 до 15 кВт/час вырабатывают до 9,3 МВт за месяц и позволяют самостоятельно решить проблему с электрификацией в регионах, отдаленных от централизованных магистралей
Современный аналог гирляндной установки – погружные или наплывные рамные станции с поперечными роторами. В отличие от своей гирляндной предшественницы, эти конструкции не перегораживают всю реку, а задействуют только часть русла, причем установить их можно на понтоне/плоте или вовсе опустить на дно водоема.
Вертикальный ротор Дарье
Ротор Дарье – устройство турбины, которое получило название в честь своего изобретателя в 1931 г. Система состоит из нескольких аэродинамических лопастей, зафиксированных на радиальных балках, и работает за счет перепада давления по принципу «подъемного крыла», который широко задействован в кораблестроительстве и авиации.
Хотя такие установки больше используются для создания ветрогенераторов, они могут работать и с водой. Но в этом случае нужны точные расчеты, чтобы подобрать толщину и ширину лопастей в соответствии с силой водного потока.
Ротор Дарье напоминает «ветряк», только установленный под водой, причем работать он может вне зависимости от сезонных колебаний скорости потока
Для создания локальных гидростанций вертикальные роторы используется редко. Несмотря на неплохие показатели КПД и кажущуюся простоту конструкции, оборудование достаточно сложное в эксплуатации.
Перед началом работы систему нужно «раскрутить», зато и остановить запущенную станцию сможет только замерзание водоема. Поэтому используется ротор Дарье преимущественно на промышленных предприятиях.
Интересное решение в сфере проектирования малых ГЭС с вертикально работающей турбиной предложил австрийский изобретатель Франц Цотлётерер:
Галерея изображений
Фото из
Мини станция водоворотно-гравитационного действия
Сооружение отдельного канала с водоворотом
Турбина в центре вращения
Устройства для сбора вырабатываемой энергии
Веским плюсом водоворотных станций вполне обоснованно считается сохранение рыбных ресурсов. Работа вертикальной турбины не наносит вреда живым организмам реки. К тому же на стенках сооружений не задерживается тина из-за специфического движения потока воды.
Подводный винтовой пропеллер
По сути, это самый простой воздушный ветряк, только устанавливается он под водой. Размеры лопастей, чтобы обеспечить максимальную скорость вращения и минимум сопротивления, рассчитываются в зависимости от силы движения потока. Например, если скорость течения не превышает 2 м/сек, то ширина лопасти должна быть в пределах 2-3 см.
Подводный пропеллер несложно сделать своими руками, но он подходит только для глубоких и быстрых рек – на мелком водоеме вращающиеся лопасти могут нанести травмы рыбакам, купальщикам, водоплавающим птицам и животным
Такой ветряк устанавливается «навстречу» потоку, но его лопасти работают не за счет давления водного напора, а благодаря возникновению подъемной силы (по принципу самолетного крыла или винта корабля).
Водяное колесо с лопастями
Водяное колесо – один из простейших вариантов гидравлического двигателя, известный еще со времен Римской Империи. Эффективность его работы во многом зависит от типа источника, на котором его установили.
Подливное колесо может вращаться только благодаря скорости потока, а наливное – с помощью напора и веса воды, ниспадающей сверху на лопасти
В зависимости от глубины и русла водотока можно установить различные типы колес:
- Подливные (или нижнебойные) – подойдут для мелководных рек с быстрым течением.
- Среднебойные – располагаются в руслах с природными каскадами так, чтобы поток попадал приблизительно на середину вращающегося барабана.
- Наливные (или верхнебойные) – устанавливаются под плотиной, трубой или в нижней части естественного порога, чтобы ниспадающая вода продолжила путь через вершину колеса.
Но принцип работы у всех вариантов один и тот же: вода попадает на лопасти и приводит в действие колесо, которое заставляет вращаться генератор для миниэлектростанции.
Производители гидрооборудования предлагают готовые турбины, лопасти которых специально адаптированы под определенную скорость водного потока. Но домашние умельцы изготавливают барабанные конструкции по старинке – из подручных материалов.
Ознакомиться с шагами сооружения простейшего варианта мини ГЭС поможет следующая фото-подборка:
Галерея изображений
Фото из
Шаг 1: Сужение русло и формирование перепада
Шаг 2: Раскрой деталей для сборки турбины
Шаг 3: Фиксация лопастей в самодельной турбине
Шаг 5: Установка опоры в русле ручья
Шаг 5: Установка турбины на опорную конструкцию
Шаг 6: Подключение генератора и аккумуляторов
Шаг 7: Устройство ременной передачи
Шаг 8: Тестирование устройства после сборки
Возможно, отсутствие оптимизации отразится на показателях КПД, зато себестоимость самодельного оборудования обойдется в разы дешевле покупного аналога. Поэтому водяное колесо наиболее популярный вариант для организации собственной мини-ГЭС.
Условия для установки гидроэлектростанции
Несмотря на заманчивую дешевизну энергии, вырабатываемую гидрогенератором, важно учесть особенности водного источника, ресурсы которого вы планируете задействовать для собственных нужд.
Ведь далеко не каждый водоток подойдет для эксплуатации мини-ГЭС, тем более круглогодичной, поэтому не помешает иметь в резерве возможность подключения к централизованной магистрали.
Несколько «за» и «против»
Основные плюсы индивидуальной гидроэлектростанции очевидны: недорогое оборудование, которое вырабатывает дешевое электричество, да еще и природе не вредит (в отличие от плотин, перекрывающих ток реки). Хотя абсолютно безопасной систему назвать нельзя – все-таки вращающиеся элементы турбин могут нанести травмы жителям подводного мира и даже людям.
Чтобы предупредить несчастные случаи, гидростанцию нужно оградить, а если система полностью скрыта водой – установить на берегу предупреждающий знак
Преимущества мини-ГЭС:
- В отличие от других «бесплатных» энергоисточников (солнечных батарей, ветрогенераторов), гидросистемы могут работать вне зависимости от времени суток и погоды. Единственное, что может им помешать – замерзание водоема.
- Для установки гидрогенератора необязательно наличие большой реки – те же водяные колеса с успехом можно использовать даже в мелких (но быстрых!) ручьях.
- Установки не выделяют вредных веществ, не загрязняют воду и работают практически бесшумно.
- Для монтажа мини-ГЭС мощностью до 100 кВт не нужно оформлять разрешительную документацию (хотя все зависит от местных властей и типа установки).
- Избыток электричества можно продавать в соседние дома.
Что касается недостатков – серьезной помехой для продуктивной эксплуатации оборудования может стать недостаточная сила течения. В этом случае придется возводить вспомогательные сооружения, что сопряжено с дополнительными затратами.
Если потенциальной энергии расположенной рядом реки при приблизительном расчете не хватит на выработку электричества в объеме, достаточном для практического применения, стоит обратить внимание на . Ветряк послужит эффективным дополнением.
Измерение силы водного потока
Первое, что нужно сделать, чтобы задуматься о виде и способе монтажа станции, – измерить скорость водного потока на облюбованном источнике.
Самый простой способ – опустить на стремнину любой легкий предмет (например, теннисный мячик, кусок пенопласта или рыбацкий поплавок) и засечь секундомером время, за которое он проплывет расстояние до какого-нибудь ориентира. Стандартная дистанция для «заплыва» – 10 метров.
Если водоем находится далековато от дома, можно построить отводной канал или трубопровод, и заодно и позаботиться о перепадах высоты
Теперь нужно пройденное расстояние в метрах разделить на количество секунд – это и будет скорость течения. Но если полученное значение будет меньше 1 м/сек, потребуется возвести искусственные сооружения, чтобы ускорить поток перепадами высот.
Это реально осуществить с помощью разборной плотины или неширокой сливной трубы. Но без хорошего течения от идеи с гидростанцией придется отказаться.
Изготовление ГЭС на основе водяного колеса
Разумеется, собрать «на коленке» и возвести махину, предназначенную для обслуживания предприятия или населенного пункта даже из десятка домов – идея из области фантастики. Но соорудить своими руками мини-ГЭС для экономии электричества – вполне реально. Причем задействовать можно как готовые комплектующие, так и подручные материалы.
Поэтому рассмотрим пошагово изготовление наиболее простого сооружения – водяного колеса.
Необходимые материалы и инструменты
Чтобы сделать своими руками мини-ГЭС, нужно подготовить сварочный аппарат, болгарку, дрель и набор вспомогательных инструментов – молоток, отвертку, линейку.
Из материалов понадобятся:
- Уголки и листовой металл толщиной не менее 5 мм.
- Трубы из ПВХ или оцинкованной стали для изготовления лопастей.
- Генератор (можно использовать готовый покупной или сделать самому, как в данном примере).
- Тормозные диски.
- Вал и подшипники.
- Фанера.
- Полистироловая смола для заливки ротора и статора.
- Медный провод на 15 мм для самодельного генератора.
- Неодимовые магниты.
Учтите, что конструкция колеса будет постоянно контактировать с водой, поэтому металлические и деревянные элементы необходимо выбирать с защитой от влаги (или позаботится об их пропитке и покраске самостоятельно). В идеале, фанеру можно заменить пластиком, но деревянные детали проще достать и придать им нужную форму.
Сборка колеса и изготовление сопла
Основой для самого колеса могут стать два стальных диска одинакового диаметра (если есть возможность достать стальной барабан от кабеля – отлично, это намного ускорит процесс сборки).
Но если металла в подручных материалах не нашлось, можно вырезать круги и из водостойкой фанеры, хотя прочность и срок службы даже обработанного дерева не сравнится со сталью. Затем на одном из дисков нужно прорезать круглое отверстие под установку генератора.
После этого изготавливаются лопасти, а их понадобится не меньше 16 шт. Для этого оцинкованные трубы разрезаются вдоль на две или четыре части (зависит от диаметра). Затем места резки и саму поверхность лопастей нужно отшлифовать, чтобы уменьшить потери энергии при трении.
Лопасти устанавливаются под наклоном примерно в 40-45 градусов – это поможет увеличить площадь поверхности, на которую будет воздействовать сила потока
Расстояние между двумя боковыми дисками должно быть максимально приближено к длине лопастей. Чтобы наметить место для расположения будущих ступиц, рекомендуется сделать шаблон из фанеры, на котором будет обозначено место для каждой детали и отверстия для фиксации колеса к генератору. Готовую разметку можно прикрепить на внешней стороне одного из дисков.
Затем круги устанавливаются параллельно друг к другу с помощью стержней со сплошной резьбой, а лопасти привариваются или фиксируются болтами в нужных позициях. Барабан будет вращаться на подшипниках, а в качестве опоры используется рама из уголков или труб небольшого диаметра.
На этом этапе сборку барабана можно считать законченной, осталось оснастить его самодельным генератором и соплом, направляющим поток воды
Сопло предназначено для водных источников каскадного типа – такая установка позволит использовать энергию потока по максимуму. Изготавливается этот вспомогательный элемент путем выгибания листового металла с последующей сваркой швов, а после насаживается на трубу.
Однако если в вашей местности протекает равнинная река без порогов и других высотных препятствий, в этой детали нет необходимости.
Важно, чтобы ширина выходного отверстия сопла соответствовала ширине самого колеса, иначе часть потока будет идти «вхолостую», не попадая на лопасти
Теперь колесо нужно насадить на ось и установить на подпорку из сваренных или скрепленных болтами уголков. Осталось сделать генератор (или установить готовый) и можно отправляться к реке.
Генератор своими руками
Для изготовления самодельного генератора нужно сделать обмотку и заливку статора, для чего понадобятся катушки со 125-ю витками медной проволоки на каждой. После их соединения вся конструкция заливается полиэстеровой смолой.
Каждая фаза состоит из трех последовательно прикрепленных мотков, поэтому соединение можно сделать в форме звезды или треугольника с несколькими наружными выводами
Теперь нужно подготовить фанерный шаблон, совпадающий по размерам с тормозным диском.
На деревянном кольце выполняется разметка и делаются прорези для установки магнитов (в данном случае использовались неодимовые магниты толщиной 1,3 см, шириной 2,5 см и длиной 5 см). Затем полученный ротор также заливается смолой, а после просушки – присоединяется к барабану колеса.
Водяное колесо с ротором из тормозных дисков и генератором из мотков медной проволоки – окрашенное, презентабельное и готовое к эксплуатации
Последним монтируется алюминиевый кожух с амперметром, закрывающий выпрямители. Задача этих элементов – преобразовывать трехфазный ток в постоянный.
После установки колеса в поток небольшой речки с каскадом или отводной трубой, можно рассчитывать на производительность мини-ГЭС в 1,9А * 12В при 110 оборотах за минуту
Чтобы в колесо не попадали листья, песок и другой мусор, принесенный с потоком, желательно поставить перед устройством защитную сетку.
Также можно поэкспериментировать с зазорами между магнитами и катушками с увеличенным количеством витков для увеличения КПД гидростанции.
О всех видах вы узнаете, ознакомившись со статьей, посвященной внедрению в быт “зеленых технологий”.
Выводы и полезное видео по теме
Видео #1. Пример работающей гидроустановки с самодельным генератором на базе трехфазного двигателя:
Видео #2. Мини-ГЭС, сконструированная по принципу водяного колеса:
Видео #3. Станция на основе велосипедного колеса – интересный вариант решения проблемы с энергообеспечением на отдыхе вдали от цивилизации:
Как видите, построить водяную миниэлектростанцию своими руками не так уж и сложно. Но так как большинство расчетов и параметров для ее комплектующих определяется «на глазок», следует быть готовым к возможным поломкам и сопутствующим затратам.
Если вы чувствуете нехватку знаний и опыта в данной сфере, стоит довериться специалистам, которые выполнят все необходимые расчеты, посоветуют оптимальное для вашего случая оборудование и качественно произведут его установку.
Пишите, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке. Делитесь интересными сведениями и полезными рекомендациями, оставляйте тематические фото. Возможно, вы хотите рассказать, как соорудили собственными руками действующую гидроэлектростанцию на загородном участке? Будем рады прочитать ваш рассказ о процессе устройства и эксплуатации.
Сделать миниатюрную гидроэлектростанцию для освещения, зарядки телефонов и прочих нужд, довольно просто. Такую электростанцию можно соорудить на даче, в походе - при разбивке палаточного городка и везде где нет электричества, но есть ручей или родник. И у вас будет собственный источник тока, который будет абсолютно бесплатен и работать 24 часа в сутки.
Понадобится
Данная гидротурбина вырабатывает напряжение в промежутке 12-22 В и выдает мощность в районе 10-20 Вт.
Ставим мини гидроэлектростанцию на ручье
Выбираем и находи ручей. Он не обязательно должен иметь сильное течение.
Отрезаем от бутылки половину. И вставляем горлышком в шланг. Это будет своеобразная заборная воронка воды.
Опускаем ее в ручей и подпираем камнями, чтобы всю конструкцию не смыло.
Теперь вода отлично затекает прямо в шланг.
Прокладываем шланг вдоль ручья.
В результате, в шланге образуется давление воды. И чем длиннее будет шланг и круче уклон, тем сильнее будет давление в нем.
К мини турбине прикручиваем шаровый кран, трубку-переходник на шланг.
Одеваем переходник на шланг.
Наша ГЭС готова к работе! Открываем шаровый кран.
Турбина работает. Замеряем выходное напряжение. Оно, в данный момент, равно 17 В.
Подключаем лампочку на 12 В - 3 Вт.
Электричества хватает с лихвой.
Мощность турбины хватает, чтобы подключить даже два источника света.
Если напор воды в шланге позволяет, то на выход можно поставить не одну, а даже две турбины последовательно.
Я думаю применение данной конструкции точно найдется.
Смотрите видео
Перспектива дефицита и дороговизна минеральных энергоресурсов заставляют уделять больше внимания возобновляемым источникам энергии. Самым эффективным из них на сегодняшний день является гидроэнергия. Современные ГЭС аккумулируют ее и превращают в электричество, обеспечивая низкую себестоимость киловатта и высокую мощность.
Принцип работы ГЭС – это использование силы падающей воды для вращения вала электрогенератора. Напор воды подается на лопасти турбины, которая раскручивает ротор. Электрический ток от генератора поступает на трансформаторы, выравнивается, передается на распределительные станции и оттуда – по линиям электропередач к конечному потребителю. Выработка энергии напрямую зависит от напора воды в ГЭС, количества и типа установленных турбин.
Классификация и конструктивные отличия
Естественный перепад высот на реках, который обеспечил бы нужный напор, почти не встречается в природе. Поэтому самой сложной задачей при возведении конструкции является строительство напорных сооружений. В зависимости от их типа и классифицируют гидростанции:
- Плотинная. Реку со спокойным течением перегораживают плотиной, высота которой определяет выходную мощность. Внутри стены проходят вертикальные или наклонные каналы, направляющие воду к генератору, благодаря созданному напору.
- Деривационная. На реках со слишком бурным для плотины течением сооружают отводы в виде закрытых тоннелей или открытых каналов с нужным наклоном, корректирующим давление воды. Заканчивается система отводов зданием электростанции.
- Плотинно-деривационная. Смешанный тип используют, когда для создания ровного напора воды требуется возведение бассейна суточного или сезонного регулирования между рекой и отводным тоннелем или между деривационной системой и станцией.
- Приливная. Принцип работы гидроэлектростанции приливного типа не отличается от плотинной. Только вместо русла реки перегораживают прибрежный участок морского бассейна с высоким уровнем прилива, во время которого вода накапливается в водохранилище.
- Аккумуляторная. ГАЭС отличается от обычной ГЭС наличием аванкамеры перед водозабором напорного канала. Из этого объемного резервуара вода подается на турбину, но может поступать и в обратном направлении, так как на станциях ставят обратимые генераторы – двигатели. Ротор в них может вращаться в обратную сторону, не вырабатывая, а потребляя электричество и заставляя систему работать как накачивающий насос.
ГАЭС строят при необходимости компенсировать резкий рост энергопотребления в пиковые часы. Наличие гидроаккумулятора позволяет достигнуть максимального КПД в отдельные моменты, а когда он не нужен, переключить станцию в режим насоса и накопления воды. При этом она работает от собственного электричества, полученного в режиме генератора.
Особенности возведения и эксплуатации
Выбор определенной модификации ГЭС определяется особенностями местности и расчетной эффективностью речного потока. Общая схема всех видов в обязательном порядке включает сорозаборные решетки на входных отверстиях, центр управления и контроля, площадку для обслуживания электрооборудования и трансформаторы, преобразующие вырабатываемое электричество в 220 V или другой необходимый стандарт напряжения.
Для сооружения генератора ГЭС используют распространенные унифицированные элементы. Все оборудование износостойкое, обладает большим сроком эксплуатации и минимальными требованиями к обслуживанию. Но в целом устройство каждой станции уникально. Конструкцию, привязанную к конкретному географическому району, нельзя повторить, как нельзя найти и две идентичные по условиям бассейна реки.
Разобравшись, как работает гидроэлектростанция, можно сформулировать ее преимущества относительно ТЭС и АЭС:
- вода — возобновляемый и чистый источник энергии;
- высокий КПД;
- отсутствие расходов на топливо;
- снижение затрат на обслуживание и персонал;
- низкий уровень риска аварий.
Причина, по которой выработка электроэнергии ГЭС составляет лишь около 20% от мирового производства электричества, заключается в необратимом влиянии на экосистему по всему руслу реки и ирригацию прилегающих территорий. Размеры всего гидроузла, включая водохранилище, достигают сотен тысяч га. До сих пор не существует надежных методов комплексной оценки масштабов такого влияния.
Технические нюансы
ГЭС выходят на проектную мощность быстрее, чем другие электростанции. Вследствие того, что природный напор воды непостоянен, сооружения без компенсаторных механизмов выдают разную производительность. В качестве основной характеристики для гидроэлектростанций принято брать установленную мощность всех ее генераторов. В зависимости от этого различают:
- установленная мощность свыше 1000 МВт;
- от 100 до 1000 МВт;
- от 10 до 100 МВт;
- до 10 МВт.
По высоте напорного потока ГЭС делятся на:
- высоконапорные — свыше 60 м;
- средненапорные — от 25 м;
- низконапорные — от 3 до 25 м.
От силы потока зависит выбор типа турбины. В высоконапорных ГЭС используют ковшевую, не погружаемую конструкцию. Вода в нее подается сильной струей из сопел и толкает ковши. При более низком напоре применяют радиально-осевые или поворотно-лопастные аппараты. Они полностью погружены в емкость с водой, имеют различный наклон оси, строение и количество лопастей, за счет своей конструкции раскручиваются при потоке небольшой силы. Камеры для турбин производят из стали или железобетона. Здание с электрооборудованием может располагаться непосредственно внутри плотины, рядом с ней или, в случае деривационного типа, далеко от источника воды. В состав сооружений ГЭС включают шлюзы для судов, рыбоходы, водосбросы, ирригационные отводы при условии, что такое дополнение необходимо для поддержания действующей транспортной, сельскохозяйственной или экосистемы в пойме реки.
'; blockSettingArray[0]["setting_type"] = 6; blockSettingArray[0]["elementPlace"] = 2; blockSettingArray[1] = []; blockSettingArray[1]["minSymbols"] = 0; blockSettingArray[1]["minHeaders"] = 0; blockSettingArray[1]["text"] = '
'; blockSettingArray[1]["setting_type"] = 6; blockSettingArray[1]["elementPlace"] = 0; blockSettingArray[3] = []; blockSettingArray[3]["minSymbols"] = 1000; blockSettingArray[3]["minHeaders"] = 0; blockSettingArray[3]["text"] = '
принцип работы, схема, оборудование, мощность
Практически каждый представляет себе предназначение гидроэлектростанций, однако лишь немногие достоверно понимают принцип работы ГЭС. Основная загадка для людей – каким образом вся эта огромная плотина без какого-либо топлива генерирует электрическую энергию. Об этом и поговорим.
Что такое ГЭС?
Гидроэлектростанция – это сложный комплекс, состоящий из разных сооружений и специального оборудования. Возводятся гидроэлектростанции на реках, где есть постоянный приток воды для наполнения плотины и водохранилища. Подобные сооружения (плотины), создаваемые при постройке гидроэлектростанции, необходимы для концентрации постоянного потока воды, который при помощи специального оборудования для ГЭС преобразовывается в электрическую энергию.
Отметим, что важную роль в плане эффективности работы ГЭС играет выбор места для строительства. Необходимо наличие двух условий: гарантированная неиссякаемая обеспеченность водой и высокий угол уклона реки.
Принцип работы ГЭС
Работа гидроэлектростанции достаточно проста. Возведенные гидротехнические сооружения обеспечивают стабильный напор воды, который поступает на лопасти турбины. Напор приводит турбину в движение, в результате чего она вращает генераторы. Последние и вырабатывают электроэнергию, которую затем по линиям высоковольтных передач доставляют потребителю.
Основная сложность подобного сооружения – обеспечение постоянного напора воды, что достигается путем возведения плотины. Благодаря ей большой объем воды концентрируется в одном месте. В некоторых случаях используют естественный ток воды, а иногда плотину и деривацию (естественное течение) применяют совместно.
В самом здании находится оборудование для ГЭС, основная задача которого заключается в преобразование механической энергии движения воды в электрическую. Эта задача возложена на генератор. Также используется и дополнительное оборудование для контроля работы станции, распределяющие устройства и трансформаторные станции.
Ниже на картинке показана принципиальная схема ГЭС.
Как видите, поток воды вращает турбину генератора, тот вырабатывает энергию, подает ее на трансформатор для преобразования, после чего она транспортируется по ЛЭП к поставщику.
Мощности
Есть разные гидроэлектростанции, которые можно поделить по вырабатываемой мощности:
- Очень мощные – с выработкой более 25 МВт.
- Средние – с выработкой до 25 МВт.
- Малые – с выработкой до 5 МВт.
Мощность ГЭС зависит от в первую очередь от потока воды и КПД самого генератора, который на ней применяется. Но даже самая эффективная установка не сможет производить большие объемы электроэнергии при слабом напоре воды. Также стоит учитывать, что мощность гидроэлектростанции не является постоянной. В силу естественных природных причин уровень воды в дамбе может увеличиваться или уменьшаться. Все это оказывает влияние на объемы производимой электроэнергии.
Роль плотины
Самый сложный, большой и вообще основной элемент любой ГЭС – плотина. Невозможно понять, что такое ГЭС, не разобравшись в сути работы плотины. Они представляют собой огромные перемычки, которые удерживают водный поток. В зависимости от конструкции они могут отличаться: есть гравитационные, арочные и другие сооружения, но их цель всегда одна – удержание большого объема воды. Именно благодаря плотине удается концентрировать стабильный и мощный поток воды, направляя его на лопасти турбины, которая вращает генератор. Он, в свою очередь, и производит электрическую энергию.
Технологии
Как мы уже знаем, принцип работы ГЭС основан на использовании механический энергии падающей воды, которая в дальнейшем с помощью турбины и генератора преобразуется в электрическую. Сами турбины могут быть установлены либо в дамбе, либо возле нее. В некоторых случаях применяют трубопровод, через который вода, находящаяся ниже уровня дамбы, проходит под высоким давлением.
Индикаторов мощности любой ГЭС несколько: расход воды и гидростатический напор. Последний показатель определяется разницей высот между начальной и конечной точкой свободного падения воды. При создании проекта станции на одном из этих показателей основывают всю конструкцию.
Известные сегодня технологии производства электричества позволяют получать высокий КПД при преобразовании механической энергии в электрическую. Иногда он в несколько раз превышает аналогичные показатели тепловых электростанций. Столь высокая эффективность достигается за счет применяемого на гидроэлектростанции оборудования. Оно надежное и относительно простое в использовании. К тому же за счет отсутствия топлива и выделения большого количества тепловой энергии срок службы подобного оборудования достаточно большой. Поломки здесь случаются крайне редко. Считается, что минимальный срок службы генераторных установок и вообще сооружений – около 50 лет. Хотя на самом деле даже сегодня вполне успешно функционируют гидроэлектростанции, которые были построены в тридцатых годах прошлого века.
Гидроэлектростанции России
На сегодняшний день на территории России действует около 100 гидроэлектростанций. Конечно, их мощность разная, и большая часть – это станции с установленной мощностью до 10 МВт. Есть также такие станции, как Пироговская или Акуловская, которые были введены в эксплуатацию еще в 1937 году, а их мощность составляет всего 0.28 МВт.
Самыми крупными являются Саяно-Шушенская и Красноярская ГЭС с мощностью 6400 и 6000 МВт соответственно. За ними следуют станции:
- Братская (4500 МВт).
- Усть-Илимская ГЭС (3840).
- Бочуганская (2997 МВт).
- Волжская (2660 МВт).
- Жигулевская (2450 МВт).
Несмотря на огромное количество подобных станций, они вырабатывают всего 47700 МВт, что равно 20% от суммарного объема всей производимой энергии в России.
В заключение
Теперь вы понимаете принцип работы ГЭС, преобразовывающих механическую энергию потока воды в электрическую. Несмотря на достаточно простую идею получения энергии, комплекс оборудования и новые технологии делают подобные сооружения сложными. Впрочем, по сравнению с атомными электростанциями они действительно являются примитивными.
ДЛЯ ГЭС НУЖЕН НАПОР
«Люди давно научились использовать энергию движущейся воды. Если до половины погрузить в реку колесо с лопастями на ободе, то оно начнет вращаться, потому что вода будет увлекать за собой нижние лопасти колеса. Примерно так работали (и кое-где работают до сих пор) водяные мельницы. Водяное колесо в них насажено на вал жернова. Вращает вода колесо — вращается и жернов, мелет зерно.
Но вот сто с лишним лет назад появился более совершенный водяной двигатель — гидравлическая турбина (сокращенно — гидротурбина). Появились генераторы, превращающие механическую работу в электрическую энергию. И к концу XIX в. началось сооружение гидроэлектрических станций — ГЭС.
Прямо в русле реки, даже с быстрым течением, ставить большие турбины нельзя: у реки не хватает силы проворачивать тяжелую турбину. Другое дело на водопадах: там вода стремительно летит вниз, у нее большой напор.
Но водопадов не так много, да и не очень удобно ставить возле них турбины. Поэтому придуманы искусственные водяные «ступеньки» — плотины.
Напор создается разностью уровней воды. Поэтому говорят, что водяное колесо вращается под напором в столько-то метров.
Если перегородить реку прочной плотиной, а в теле плотины оставить только небольшое отверстие, то вся вода, что есть в реке, должна будет протекать через это отверстие. Значит, перед плотиной река поднимется и разольется, а за плотиной останется на прежнем уровне. Появится разница уровней, возникнет напор воды.
Поставим у отверстия плотины гидротурбину — и она начнет вращаться, используя напор воды. Соединим турбину с генератором— его ротор тоже придет в движение, в обмотке статора появится ток.
Заметьте: напор перед плотиной сохраняется круглый год, потому что вода запасается в водохранилище, искусственном море, и стекает равномерно, хотя зимой и летом река несет меньше воды, а осенью и весной — больше.
Впрочем, есть и гидроэлектростанции без плотин. Например, на горных реках плотины получаются очень высокими и дорогими. В этих случаях воду из реки подводят к электростанциям каналом или тоннелем, называемыми деривационными. В конце деривационного отвода строят здание ГЭС и соединяют трубами канал и гидроэлектростанцию. Теперь часть воды идет по своему руслу, а часть совершает такой маршрут: канал — трубы — турбины ГЭС — русло. Конечно, все это самотеком, потому что канал начинается гораздо выше ГЭС, а впадает обратно в реку ниже».
ЛЮБОЙ ГИДРОУЗЕЛ - СЛОЖНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«Принцип работы любой ГЭС прост. Но устройство ее, конечно, не простое. Современная ГЭС — сложное предприятие, насыщенное разнообразными автоматами. Недаром здание машинного зала, плотину, шлюзы, трансформаторные станции, рыбоподъемники называют общим словом гидроузел.
Плотину строят из грунта или бетона. Очень часто грунт и бетон работают рука об руку: там, где надо просто удержать воду, можно применить землю, а для водосливов, турбинных камер и вообще «активных» участков плотины нужен железобетон. В теле плотины на заранее рассчитанной высоте делают окна для пропуска воды во время паводка, иначе вода прорвала бы плотину. В остальное время окна закрыты стальными щитами.
Иногда, если нет надобности строить плотину очень высокой, ее делают ниже уровня максимального подъема воды во время паводка. И тогда каждую весну излишняя вода просто-напросто переливается через водосливный участок гребня плотины.
В подводной части плотины проложены трубы для подвода воды к турбинам. Они прикрыты решетками, улавливающими камни, поленья, ветки. В трубах устроены затворы.
Нажим кнопки — и путь воде закрыт. Это нужно при остановках турбины.
Поток воды под напором входит в трубу и отсюда в спиральную камеру, напоминающую улитку. Двигаясь внутри камеры все ближе и ближе к центру, водяная масса закручивается. А в центре камеры — колесо турбины. Но вода не сразу попадает на колесо, потому что оно обнесено «забором» — крепкими стальными лопатками, направляющими воду (направляющим аппаратом). Каждая лопатка может поворачиваться на своей оси. Повернутся лопатки так, что плотно сомкнутся одна с другой,— и вода в турбину не пройдет. Приоткроются чуть-чуть — воды пойдет немного. А станут по движению воды — она почти беспрепятственно будет проникать в турбину. Это, как говорят энергетики, режим полной нагрузки».
ВОДА ВРАЩАЕТ ТУРБИНУ
«Но вот вода прошла сквозь направляющий аппарат. На ее пути — лопасти рабочего колеса турбины. Понятно, что вода заставит лопасти двигаться, отдаст им свою энергию. А этого нам только и надо. Вода вращает турбину!
Теперь воде нужно уйти. Куда? Опять в трубу, но только в другую — отсасывающую. Очень важно, чтобы вода шла по этой трубе спокойно, без вихрей и препятствий, тогда турбина будет хорошо использовать напор. Поэтому отсасывающие трубы делают гладкими и немного расширяющимися к нижнему концу. Из этого открытого конца вода вытекает в русло реки и уходит по течению.
Не всегда турбины находятся в теле плотины или поблизости от нее. Иногда воду под напором подают из водохранилища к турбинам по длинным трубам или тоннелям. Так, например, сделано на ГЭС при высотной Асуанской плотине на р. Ниле».
С ГЕНЕРАТОРА НА ТРАНСФОРМАТОР И ДАЛЬШЕ ПО ПРОВОДАМ
«Итак, рабочее колесо турбины вращается. С ним вращается и вал, связывающий рабочее колесо с ротором электрической машины — генератора переменного тока.
Генератор вырабатывает переменный ток напряжением от 10 до 18 тыс. вольт.
Но, оказывается, электроэнергию в таком виде невыгодно передавать на большие расстояния. Вот если повысить напряжение в 10 — 15 раз, тогда другое дело: сила тока упадет, и он, проходя по проводам, будет меньше нагревать их. Станет меньше потерь, не понадобятся толстые и тяжелые провода.
Напряжение повышают на электростанции простые приборы — трансформаторы. Это стержни-сердечники, собранные из тонких листов мягкой стали. На каждом — две обмотки: одна с небольшим числом витков толстой медной проволоки, вторая с немногочисленными витками более тонкого провода. Мы подаем напряжение, скажем, в 10 тыс. вольт на первичную обмотку, а со вторичной получаем сразу 100 или 200 тыс. вольт — во столько раз больше, во сколько больше витков на вторичной обмотке. Чтобы трансформаторы не сильно нагревались при работе, их погружают в баки с жидким маслом, хорошо отводящим тепло. Итак, чем выше напряжение (и, значит, меньше сила тока), тем выгоднее передавать энергию».
Источник: «Техника и производство». Том 5 (Детская энциклопедия 1965 г.в.) - Афанасенко Е.И., и др.
Сегодня я расскажу о том, что мало кто из обычных людей знает о ГЭС.
Сейчас я нахожусь на стройплощадке Усть-Среднеканской ГЭС, которая расположена в 400 километрах от Магадана. Подробно о ГЭС и строительстве я ещё расскажу, а сегодня несколько любопытных фактов.
1. ГЭС - возможно единственный крупный инженерный объект, который начинает эксплуатироваться задолго до окончания строительства. На Усть-Среднеканской ГЭС ещё не до конца возведена плотина, не до конца построен машинный зал, а первые два гидроагрегата из четырёх уже вырабатывают электричество.
2. Пока ГЭС строится, в её гидроагрегатах работают временные рабочие колёса, рассчитанные на малый напор воды. Когда плотина будет достроена, напор воды повысится и временные колёса заменят постоянными для высокого напора с другой формой лопастей.
3. Несмотря на то, что строительство ГЭС очень дорогое удовольствие, многие ГЭС окупаются ещё до того, как их достраивают до конца. Кстати, Усть-Среднеканская ГЭС продаёт электричество по 1.10 руб за кВтч.
4. Перед тем, как попасть на турбину ГЭС, вода закручивается с помощью огромной стальной улитки - спиральной камеры. Сейчас на Усть-Среднеканской ГЭС как раз заканчивается монтаж спиральной камеры третьего энергоагрегата и мне удалось увидеть и сфотографировать её. Когда энергоагрегат будет достроен, гигантская улитка окажется в толще бетона.
Чтобы осознать размеры конструкции, обратите внимание на рабочих, занимающихся монтажом спиральной камеры.
5. Рабочее колесо гидроагрегата всегда крутится с одинаковой скоростью, обеспечивая стабильную частоту 50 герц. Для меня всегда было загадкой, как поддерживается стабильная скорость вращения. Оказалось, просто с помощью изменения потока воды. Лопатки, управляемые компьютером, постоянно находятся в движении, уменьшая и увеличивая поток воды. Задача системы добиться точной скорости вращения независимо от усилия, с которым крутится вал генератора (а оно зависит от вырабатываемой мощности).
6. Напряжение, выдаваемое генератором, регулируется с помощью изменения напряжения возбуждения. Это постоянное напряжение, которое подаётся на электромагнит ротора. При этом напряжение, которое генерируется обмоткой статора зависит от силы магнитного поля. На фото у меня над головой вращается многотонный ротор.
7. Генератор ГЭС вырабатывает напряжение 15.75 кВ. На Усть-Среднеканской ГЭС установлены генераторы, имеющие номинальную мощность 142.5 МВт (142500000 Вт) и ток в проводах, отводящих выработанное электричество от генератора, может достигать 6150 А. Поэтому эти провода, а точнее шины, имеют огромное сечение и заключены вот в такие трубы.
Любая коммутация при таких токах превращается в большую проблему. Вот так выглядит простой выключатель. Конечно, на токе в шесть тысяч ампер и напряжении пятнадцать тысяч вольт он становится совсем непростым.
8. Повышающие трансформаторы обычно стоят на улице за машинным залом ГЭС (для передачи потребителям напряжение, полученное с генераторов, повышается чаще всего до 220 кВ).
9. По проводам линий электропередач передаётся не только электроэнергия на частоте 50 Гц, но и информационные сигналы на высокой частоте. С помощью них, например, можно с высокой точностью определить место аварии на ЛЭП. На электростанциях и подстанциях ставятся специальные фильтры высокочастотного сигнала. Наверняка, вы такие штуки видели, но вряд ли знали, для чего они.
10. Вся коммутация на высоких напряжениях происходит в среде элегаза (фторид серы, имеющий очень низкую электропроводность), поэтому провода выглядят, как трубы и электрика больше напоминает сантехнику. 🙂
p.s. Спасибо сотрудникам Усть-Среднеканской ГЭС Илье Горбунову и Вячеславу Сладкевичу (он на фото) за подробные ответы на мои многочисленные вопросы, а так же компании Русгидро за возможность своими глазами посмотреть на строительство и работу такого грандиозного сооружения.
© 2016, Алексей Надёжин
Основная тема моего блога - техника в жизни человека. Я пишу обзоры, делюсь опытом, рассказываю о всяких интересных штуках. А ещё я делаю репортажи из интересных мест и рассказываю об интересных событиях.
Добавьте меня в друзья здесь. Запомните короткие адреса моего блога: Блог1.рф и Blog1rf.ru.
Второй мой проект - lamptest.ru. Я тестирую светодиодные лампы и помогаю разобраться, какие из них хорошие, а какие не очень.
ГЭС
ГЭС
Гидроэлектроэнергия, используя потенциальную энергию рек, теперь поставляет 17,5% мировой электроэнергии (99% в Норвегии, 57% в Канаде, 55% в Швейцарии, 40% в Швеции, 7% в США). За исключением нескольких стран с его избытком, гидроэнергетика обычно применяется для пиковой нагрузки, потому что она так легко останавливается и запускается.Это не главный вариант для будущего в развитых странах, потому что большинство крупных площадок в этих странах, которые могут использовать гравитацию таким образом, либо уже эксплуатируются, либо недоступны по другим причинам, таким как экологические соображения. Рост до 2030 года ожидается в основном в Китае и Латинской Америке.
Гидроэнергия доступна во многих формах: потенциальная энергия от высоких напоров воды, удерживаемых в плотинах, кинетическая энергия от текущих потоков в реках и приливных заграждениях, а также кинетическая энергия также от движения волн на относительно статических водных массах.Было разработано много оригинальных способов использования этой энергии, но большинство из них включают направление потока воды через турбину для выработки электроэнергии. Те, которые обычно не связаны с использованием движения воды для управления каким-либо другим видом гидравлического или пневматического механизма для выполнения той же задачи.
Водяные турбины
Подобно паровым турбинам, водяные турбины могут зависеть от импульса рабочего тела на лопастях турбины или реакции между рабочим телом и лопастями для вращения вала турбины, который, в свою очередь, приводит в движение генератор.Несколько различных семейств турбин были разработаны для оптимизации производительности для конкретных условий водоснабжения.
Выходная мощность турбины
Обычно турбина преобразует кинетическую энергию рабочего тела, в данном случае воды, во вращательное движение вала турбины.
швейцарский математик Леонард Эйлер в 1754 году показал, что крутящий момент на валу равен изменению момента импульса потока воды, поскольку он отклоняется лопатками турбины, а генерируемая мощность равна крутящему моменту на валу, умноженному на частоту вращения вал.Смотрите следующую схему.
Обратите внимание, что этот результат не зависит от конфигурации турбины или того, что происходит внутри турбины. Все, что имеет значение, - это изменение углового момента жидкости между входом и выходом турбины.
Гидроэлектростанция Эффективность
Гидроэлектростанция - безусловно, самый эффективный метод крупномасштабного производства электроэнергии.Смотрите сравнительную таблицу. Энергетические потоки сосредоточены и могут контролироваться. Процесс преобразования захватывает кинетическую энергию и преобразует ее непосредственно в электрическую энергию. Не существует неэффективных промежуточных термодинамических или химических процессов и тепловых потерь. Общая эффективность никогда не может быть 100%, однако, поскольку извлечение 100% кинетической энергии проточной воды означает, что поток должен был бы остановиться.
Эффективность преобразования гидроэлектростанции зависит в основном от типа используемой водяной турбины и может достигать 95% для крупных установок.Меньшие электростанции с выходной мощностью менее 5 МВт могут иметь КПД от 80 до 85%.
Однако трудно извлечь энергию из низких скоростей потока.
Примечание: Теоретический предел эффективности преобразования Бетца, равный 59,3%, который представляет собой максимальный КПД, который может быть получен от ветряной турбины, не применяется к гидравлическим турбинам, поскольку существует множество вариаций в конструкции турбины и более возможное регулирование потоков воды. ,Это означает, что существуют потенциальные вариации потенциальной эффективности турбины, многие из которых могут превышать предел Бетца.
Узнайте больше об историческом развитии гидравлической энергетики и больше примеров.
Типы турбин
Наиболее подходящая турбина для использования зависит от скорости потока воды и напора или давления воды.
- Импульсные турбины
- Турбина Пелтона
- Реактивные турбины Реактивные турбины
-
Турбина Фрэнсиса
Турбина Фрэнсиса является примером реакционной турбины. Поток воды входит в радиальном направлении к оси и выходит в направлении оси.
Крупногабаритные турбины, используемые в плотинах, способны вырабатывать более 500 МВт энергии от напора воды около 100 метров с КПД до 95%.
- Пропеллерные и Капланские турбины
Импульсные турбины требуют тангенциального потока воды на одной стороне турбинного ротора (ротора) и, следовательно, должны работать только при частичном погружении. Они лучше всего подходят для применений с высоким напором, но с низким объемным расходом, таких как быстрые мелководья, хотя он используется в широком диапазоне ситуаций с напорами от 15 метров до почти 2000 метров.
 |
Турбина Пелтона является примером импульсной турбины. Головки высокого давления вызывают очень быстрые водяные струи, попадающие в лопатки, что приводит к очень высоким скоростям вращения турбины. Разделенные пары ковшей делят поток воды, обеспечивая сбалансированные осевые усилия на направляющей турбины. КолесаPelton идеально подходят для маломощных установок с выходной мощностью 10 кВт или менее, но они также используются в установках с выходной мощностью до 200 МВт. КПД до 95% возможны. |
|---|
предназначены для работы с полным погружением или закрытием корпуса турбины для поддержания давления воды.Они подходят для нижнего напора воды не более 500 метров и являются наиболее часто используемыми турбинами большой мощности.
 |
Пропеллер турбины, это еще один пример реактивной турбины.Разработанный для работы полностью погруженным, он похож по форме на гребной винт корабля и является наиболее подходящей конструкцией для источников с низким напором воды с высоким расходом, таких как те, что в медленных реках. Проекты оптимизируются для конкретной скорости потока, и эффективность быстро падает, если скорость потока падает ниже расчетного значения. Версия Kaplan оснащена лопастями с переменным шагом, что позволяет ей эффективно работать в диапазоне скоростей потока. |
|---|
См. Также паровые турбины
Мощность от плотин (потенциальная энергия)
-
Характеристики поставки
Гидроэлектростанция использует потенциальную энергию воды, остающейся в плотине, для привода водяной турбины, которая, в свою очередь, приводит в действие электрический генератор.Таким образом, доступная энергия зависит от напора воды над турбиной и объема воды, протекающей через нее. Турбины обычно представляют собой реактивные типы, лопасти которых полностью погружены в поток воды.
На диаграмме напротив показана типичная конфигурация турбины и генератора, используемая в плотине.
Источник У.S. Инженерный корпус армии
Источник: TVA
Строительные работы, связанные с получением гидроэнергии от плотины, обычно во много раз превышают стоимость турбин и сопутствующего оборудования для производства электроэнергии.Однако плотины обеспечивают большой резервуар для воды, из которого можно контролировать поток воды и, следовательно, выходную мощность генератора. Резервуар также служит запасным буфером, хранящим избыточную воду в дождливые периоды и выпускающим ее во время сухих периодов.
Накопление ила за плотиной может вызвать проблемы с техническим обслуживанием.
Доступная мощность
Потенциальная энергия на единицу объема = ρgh
, где ρ - плотность воды (10 3 кг / м 3 ), ч - напор воды, г - гравитационная постоянная (10 м / с 2 )
Мощность P от плотины дает
P = ηρghQ
, где Q - объем воды, протекающей в секунду (скорость потока в м 3 / секунду), а η - КПД турбины.
Для воды, протекающей со скоростью один кубический метр в секунду из напора в один метр, вырабатываемая мощность эквивалентна 10 кВт при условии КПД преобразования энергии 100% или чуть более 9 кВт при КПД турбины от 90% до 95%.
Мощность "Run of River" (кинетическая энергия)
- Характеристики поставки
Установки "русло реки" не зависят от затопления больших участков земли с образованием плотин.Вместо этого необходимая постоянная подача воды может быть получена из естественных верхних озер и водохранилищ. Они обычно используются для небольших схем, генерирующих выходную мощность менее 10 мегаватт.
Вода из быстро текущей реки или ручья отводится через турбину, часто колесо Пелтона, которое приводит в движение электрический генератор. Локальный напор воды может быть по существу не намного больше нуля, и турбина предназначена для преобразования кинетической энергии проточной воды в энергию вращения турбины и генератора.Таким образом, доступная энергия зависит от количества воды, протекающей через турбину, и квадрата ее скорости.
Импульсные турбины, которые только частично погружены в воду, чаще используются в установках с быстрым течением реки, в то время как в более глубоких, медленных реках с большим напором воды могут использоваться полностью погруженные реакционные турбины Каплана для извлечения энергии из воды. течь.
Проекты в русле реки намного дешевле, чем плотины из-за более простых требований строительных работ.Однако они чувствительны к изменениям количества осадков или потока воды, которые уменьшают или даже отключают потенциальную выходную мощность в периоды засухи. Чтобы избежать проблем сезонных речных потоков или даже суточных колебаний, сооружения с речным течением могут включать дополнительное ограниченное количество «искусственных» водохранилищ, называемых «прудом», чтобы поддерживать работу станции в засушливые периоды. ,
С другой стороны, в условиях паводка установка может не справиться с более высокими скоростями потока, и вода должна отводиться вокруг турбины, теряя потенциальную генерирующую способность увеличенного потока воды.
Из-за этих ограничений, если строительство плотины невозможно, при эксплуатации речных сооружений может также потребоваться включить некоторую форму резервного питания, такую как аккумулятор, аварийные генераторы или даже подключение к сети. См. Получение возобновляемой энергии для более подробной информации о вариантах резервного копирования.
Доступная мощность
Максимальная выходная мощность турбины, используемой в речном режиме, равна кинетической энергии (½mv 2 ) воды, падающей на лопасти.Принимая во внимание КПД η турбины и ее установку, максимальная выходная мощность P max определяется
P макс. = ½ηρQv 2
, где v - скорость потока воды, а Q - объем воды, протекающей через турбину в секунду.
Q дается
Q = A v
, где A - площадь развертки лопаток турбины.
Таким образом,
P макс. = ½ηρAv 3
Это соотношение также применяется к покрытым турбинами, используемым для улавливания энергии приливных потоков (см. Ниже), и является прямым аналогом уравнения для теоретической мощности, генерируемой ветряными турбинами. Обратите внимание, что выходная мощность пропорциональна кубу скорости воды.
Таким образом, мощность, вырабатываемая одним кубическим метром воды, протекающей со скоростью один метр в секунду через турбину со 100% -ной эффективностью, будет равна 0.5 кВт или чуть меньше с учетом неэффективности системы. Это только одна двадцатая от мощности, генерируемой тем же объемным потоком от плотины выше. Чтобы вырабатывать одинаковую мощность при одинаковом объеме воды из водопровода, скорость потока воды должна составлять √20 метров в секунду (4,5 м / с).
Приливная сила
- Характеристики поставки
Использование силы приливов может быть достигнуто путем размещения двунаправленных турбин на пути потока приливной воды в бухтах и устьях рек.Чтобы быть жизнеспособным, ему необходим большой диапазон приливов и включает в себя создание барьера через залив или устье, чтобы направлять воду через турбины, когда прилив входит и уходит. Хотя приливная энергия, улавливаемая в приливных прудах, использовалась с римских времен для питания мельниц, современных установок мало. Первый завод, который в больших масштабах использовал приливную энергию для производства электроэнергии, был построен в Ранс во Франции в 1966 году. Другие последовали в Канаде и России.
Энергия приливов и отливов наиболее близка из всех возобновляемых источников энергии к способности обеспечивать неограниченную, непрерывную и предсказуемую выходную мощность, но, к сожалению, в мире мало подходящих мест, и экологические ограничения до сих пор препятствовали их общему признанию.
Турбины с закрытой водой, помещенные в глубоководные приливные течения, показывают больший потенциал для эксплуатации, хотя связанные с ними строительные работы более сложны, и несколько проектов находятся в стадии разработки.
Мощность доступна только от шести до двенадцати часов в день в зависимости от приливов и отливов.
Доступная мощность
Максимальная выходная мощность турбины с водяной оболочкой, используемой в приложениях приливной энергии, равна кинетической энергии воды, падающей на лопасти, аналогично приведенному выше расчету "течения реки".Принимая во внимание КПД η турбины и ее установку, максимальная выходная мощность P max определяется
P макс. = ½ηρAv 3
, где v - скорость потока воды, а A - площадь подметания лопастей.
Турбина диаметром один метр с протекающим через нее потоком воды один метр в секунду будет генерировать 0.4 кВт электроэнергии при 100% эффективности. Точно так же турбина диаметром 3 метра с потоком воды 3 метра в секунду будет производить 32 кВт мощности.
Wave Power
- Характеристики поставки
- Системы преобразования энергии
- Осциллирующая поплавковая система
- Гидравлические системы, в которых воздух сжимается в пневматическом резервуаре над поплавком во время его движения вверх по гребням волн. После того, как гребни прошли, воздух расширяется и заставляет плавать вниз в следующие впадины волн.Гидравлическая система затем использует возвратно-поступательное движение поплавка для перекачки воды через водяную турбину, которая приводит в действие вращающийся электрический генератор.
- Пневматические системы, в которых воздух, перемещаемый в цилиндре, используется для питания воздушной турбины, которая приводит в движение генератор.
- Линейные генераторы для преобразования возвратно-поступательного движения поплавка непосредственно в электрическую энергию.
- Вместо выработки электроэнергии на борту буя, некоторые системы перекачивают гидравлическую жидкость на берег в генераторы на берегу.
- Осциллирующая лопастная система
- Осциллирующая змеиная система
- Колонка с колеблющейся водой
- Система датчиков давления
- Системы захвата волн
- Системы волнового перекрытия
- Рычаг Системы
- Технические проблемы
- Изменчивость морских условий
- Соответствие генерирующего оборудования волновым характеристикам
- Оборудование строительное
- Жилье и оборудование для швартовки
- Передача энергии
- Устойчивость к урону от урагана
Энергия, доступная от движения поверхностной волны океана, почти ограничена, но ее оказалось крайне сложно уловить.Было предложено много гениальных систем, но, за исключением очень небольших установок, очень немногие производят электроэнергию на коммерческой основе, и большинство из них были сорваны из-за практических проблем.
Некоторые из этих предложений изложены ниже. Большинство из них все еще находятся на экспериментальной стадии, и многие из них не масштабируются в системы с высокой пропускной способностью.
Одним из самых простых и распространенных решений является система колеблющегося поплавка, в которой поплавок размещается внутри буя цилиндрической формы, который открыт снизу и пришвартован к морскому дну.Внутри цилиндра поплавок движется вверх и вниз по поверхности волн, проходящих через буй.
Различные методы были использованы для превращения движения поплавка в электрическую энергию. К ним относятся: -
В этой системе используются большие весла, пришвартованные к дну океана, чтобы имитировать колебательные движения морских растений в присутствии океанских волн. Лопатки прикреплены к специальным шарнирным соединениям в основании, которые используют колебательное движение лопаток для прокачки воды через турбогенератор.
Змеиная система использует ряд плавающих цилиндрических секций, соединенных шарнирными соединениями.Плавающая змея привязана к морскому дну и удерживает положение на волнах. Волновое движение на шарнирах используется для прокачки масла под высоким давлением через гидравлические двигатели через сглаживающие аккумуляторы. гидравлические двигатели в свою очередь приводят в действие электрические генераторы для производства электрическая мощность.
Водяные колонны образуются в больших бетонных конструкциях, построенных на береговой линии или на плотах.Структура открыта как сверху, так и снизу. Нижний конец погружен в море, и воздушная турбина заполняет отверстие в верхней части. Подъем и опускание водяного столба внутри конструкции перемещает воздушный столб над ним, пропуская воздух через турбогенератор. Турбина имеет подвижные лопатки, которые вращаются, чтобы поддерживать однонаправленное вращение, когда движение воздушного столба изменяется на противоположное.
В системе гидравлических насосов используется погруженный газонаполненный резервуар с жесткими боковыми сторонами и основанием и гибким, похожим на сильфон, верхом.Газ в резервуаре сжимается и расширяется в ответ на изменения давления от волн, проходящих над головой, вызывающих подъем и опускание верхней части. Рычаг прикреплен к центру верхних приводов поршней, которые качают воду под давлением на берегу для привода гидрогенераторов.
|
Системы захвата волн используют сужающуюся рампу, чтобы направлять волны в возвышенный резервуар.Волны, попадающие в воронку по широкому фронту, концентрируются в сужающемся канале, что вызывает увеличение амплитуды волны. Увеличенной высоты волны в сочетании с импульсом воды достаточно, чтобы поднять количество воды вверх по скату и в резервуар, расположенный над уровнем моря. Затем вода из резервуара может быть выпущена через гидроэлектрическую турбину, расположенную ниже резервуара, для выработки электроэнергии. |
 |
Это плавучие системы, аналогичные наземной системе, описанной выше.Они фокусируют волны на конусной рампе, которая вызывает увеличение их амплитуды. Гребни волн пересекают скат и разливаются на низкую плотину. Вода из низкой плотины затем течет через гидроэлектрические турбины обратно в море под плавучей конструкцией.
Были разработаны различные системы захвата энергии на основе рычага.Длинные рычаги могут быть установлены на стальных сваях или на плавучих платформах. Большие поплавки или буи прикреплены к конечностям рычагов, которые движутся вверх и вниз с волнами.
Движение рычагов выталкивает жидкость в центральный гидравлический аккумулятор и через турбину генератора. В качестве альтернативы вода под высоким давлением может быть откачана на берег к энергетическим береговым генераторам.
Огромные технические проблемы связаны с разработкой практических систем для сбора энергии волн.
Морские условия общеизвестно изменчивы, и система должна быть в состоянии справиться с широким диапазоном амплитуд и частот волн, а также с изменениями направлений течений.
Механизмы необходимы для преобразования мощности нерегулярных колебательных механических сил, вызванных волнами, в электрическую энергию, синхронизированную с сеткой.Это может быть связано с дорогой силовой электроникой.
Типичные вращающиеся машины, используемые для выработки электроэнергии, работают с синхронной скоростью 1200 об / мин. (20 оборотов в секунду), тогда как частота волн, движущих генератор, вероятно, будет между 5 и 10 секундами за цикл. Механическая зубчатая передача необходима для соответствия этому соотношению 200: 1 в рабочих скоростях, возможно, в сочетании со специальными генераторами медленной скорости, включающими большое количество пар полюсов.
Одним из способов решения всех этих проблем является использование гидравлических аккумуляторов либо на месте, либо на берегу, чтобы сгладить подачу энергии в генератор.
Для систем разумного размера очень высокие механические силы будут связаны с преобразованием энергии волны в механическую энергию для приведения в действие электрического генератора.
Должны быть предусмотрены надежные корпуса для защиты генерирующего оборудования от агрессивной окружающей среды.
Держать установку на месте также особенно трудно в глубокой воде.
Бронированные и изолированные кабели с низкими потерями или трубы высокого давления должны быть разработаны для доставки электрической или гидравлической энергии обратно на берег.
Урон от шторма является серьезной угрозой.Частота встречаемости волн любой конкретной амплитуды соответствует распределению Рэлея, аналогичному тому, которое применяется к скоростям ветра. Хотя частота серьезных штормов может быть довольно небольшой, раз в 50 лет можно ожидать волну, в десять раз превышающую среднюю амплитуду. Из приведенного ниже расчета мощности мощность волны пропорциональна квадрату амплитуды волны. Это означает, что установка должна быть рассчитана на то, чтобы выдерживать усилия, в сто раз превышающие нормальный рабочий уровень.Это значительно увеличивает расходы.
Доступная мощность
Мощность волны на единицу длины волнового фронта P L задается (Twiddel & Weir. Renewable Energy Resources) как
P L = ρga 2 λ / 4T
, где ρ - плотность воды (10 3 кг / м 3 ), a - амплитуда волны (половина высоты волны), г - гравитационная постоянная (10 м / г). с (2 ), λ - длина волны колебаний, а T - период волны.
Таким образом, для волны с амплитудой 1,5 метра, длиной 100 метров и периодом 5 секунд мощность на метр волнового фронта составит 75 кВт.
Тепловая энергия океана
Неограниченная тепловая энергия теплых океанов мира также может быть использована для выработки электроэнергии во многом так же, как геотермальное тепло используется для выработки электроэнергии.К сожалению, эффективность преобразования очень низка, и экономическую жизнеспособность трудно оправдать текущими ценами на энергоносители. Процесс и потенциал более подробно описаны в разделе «Преобразование тепловой энергии океана» (OTEC) на страницах «Геотермальная энергия».
См. Также Генераторы
Возврат к Обзор электроснабжения
,- генератор электрического тока, приводимый в движение гидравлической турбиной.
Обычно гидроэлектрический генератор представляет собой синхронный генератор с выступающими полюсами, ротор которого соединен с ротором гидравлической турбины. Конструкция гидроэлектрического генератора в основном определяется положением оси его ротора, а также частотой вращения и мощностью турбины. Высокопроизводительные тихоходные генераторы обычно изготавливаются с вертикальной осью вращения (за исключением гидроагрегатов капсульного типа), тогда как высокоскоростные агрегаты с ковшовой гидравлической турбиной изготавливаются с горизонтальной осью вращения.Существуют также экспериментальные промышленные генераторы оригинальной конструкции (с фазовыми роторами; противоточные или проточные). Из-за топологических и геологических характеристик рек в СССР большинство высокоскоростных генераторов устанавливаются с вертикальной осью вращения.
Гидроэлектрические генераторы подразделяются по мощности на типы малой мощности (до 50 мегаватт [МВт]), средней мощности (50-150 МВт) и высокой мощности (более 150 МВт), а по скорости вращения - на низкоэнергетические. скорость (до 100 об / мин) и высокая скорость (более 100 об / мин).Советские и зарубежные гидроагрегаты для обычного использования имеют диапазон потенциального генерирующего напряжения от 8,8 до 18 кВ; их коэффициент мощности (cos ø ) составляет от 0,8 до 0,95; КПД высокоскоростных гидроагрегатов колеблется от 97,5 до 98,8 процента, а низкоскоростных генераторов - от 96,3 до 97,6 процента.
Первые советские гидроагрегаты мощностью 7,25 МВт были построены в 1925 году на заводе "Элек-тросила" в Ленинграде для В.И. В. Волхов Гидроэлектростанция. В начале 1930-х годов на Днепровской ГЭС были установлены гидроагрегаты мощностью 65 МВт, а в 1939-40 годах были изготовлены генераторы для Угличской и Рыбинской ГЭС, которые в то время были самыми крупными по крутящему моменту. моменты, размер и вес. Созданы уникальные генераторы для Братской (1960 г.) и Красноярской (1964 г.) гидроэлектростанций мощностью 225 и 508 МВт, а также генераторы капсульного типа с водяным охлаждением (20 МВт) для Череповецкой ГЭС; реверсивные гидроагрегаты установлены на Киевской ГАЭС; в 1966 году завод «Уралэлектротяжмаш» выпустил экономичный экспериментальный высоковольтный (110 кВ) гидроагрегат мощностью 20 МВт; и (по состоянию на 1971 г.) на Саяно-Шушенской ГЭС планировалось установить гидроэлектрический генератор мощностью 650 МВт.
При проектировании и установке гидроэлектрических генераторов особое внимание уделяется усилению вращающихся частей гидроагрегата, а также охлаждению обмоток ротора и статора. В соответствии с позиционированием и конструкцией подшипника опорного подшипника или шага, проводится различие между взвешенными и капюшоном генераторами. В подвесном генераторе опорный подшипник, который воспринимает вес вращающихся частей гидроагрегата, а также осевое давление воды на направляющую турбины, расположен над ротором генератора на верхней поперечине Блок.В генераторе с капюшоном ступенчатый подшипник расположен под ротором генератора, на нижней крестовине или на корпусе турбины; вал генератора вращается в двух или трех направляющих подшипниках. Мощные низкоскоростные гидроагрегаты обычно очень велики; модель с капюшоном эффективна в уменьшении их размеров и в уменьшении их веса. Примером типа с капюшоном является генератор Красноярской ГЭС. Его скорость вращения составляет 93,8 об / мин, а диаметр ротора составляет 16 м, а вес - 1640 тонн.Подвесной дизайн предпочтительнее для небольших высокоскоростных генераторов; по сравнению с типом с капюшоном он обладает большей устойчивостью к механическим колебаниям ротора, его опорный ступенчатый подшипник имеет меньший диаметр, и его проще устанавливать. Пример - гидроагрегат Братской ГЭС. Его скорость вращения составляет 125 об / мин, а диаметр ротора составляет 10 м, а вес - 1450 тонн.
Для охлаждения таких больших генераторов (мощностью до 300 МВт) обычно используется закрытая система вентиляции; это может быть косвенный или поверхностный тип, при котором воздух обдувается обмоткой с поверхности, или принудительный, при котором воздух подается в проводник с током или между проводниками.Намного эффективнее охлаждать обмотки статора дистиллированной водой с принудительным воздушным охлаждением обмоток ротора. Использование принудительного охлаждения увеличивает производительность гидроагрегатов и снижает затраты на изоляцию, медь и электротехническую сталь.
Гидроэлектрические генераторы обычно возбуждаются вспомогательным генератором постоянного тока, установленным на валу; крупные генераторы также имеют пилотные возбудители, которые используются для возбуждения этих вспомогательных генераторов. В некоторых случаях для этой цели используется синхронный генератор с выпрямителями, который также служит вспомогательным генератором.
СПРАВОЧНИК
Бернштейн Л.Б. Приамоточные и погруженные гидроагрегаты . М., 1962.Зунделевич М. И., Прутковский С. А. Гидрогенераторы . Москва-Ленинград, 1966.
Костенко М.П., Суханов Л.А., Аксенов В.Н. Современные мощные гидрогенераторы . М., 1967.
Электрические машины и аппаратура: 1966-67 . Москва, 1968. .
Отправить ответ