Hidrokinetikus erőmű

(HU P1500110, U1500141)

Energiatermelés lassú vízzel lehetséges?

A Hidrokinetikus rendszerek nagy része 1,5-3,5 m/s-os, vagy nagyobb sebességgel áramló vízzel működik. A mi hidrokinetikus erőművünk a vízáram sebességét 1,3 – 4 -szeresére növeli. A vízáram elméleti teljesítményét az alábbi egyenlettel számoljuk: 1/2*r*A*v³, ahol “r” a sűrűség, az “A” keresztmetszet és a “v” a vízáram sebessége. Ez azt jelenti, ha a sebességet 1-ről 1,3 m/s -ra növeljük akkor a vízáram teljesítménye 2,2 -szeres érték lesz. Négyszeres sebesség növekedés 64 -szeres teljesítmény növekedést jelent. Elméletben egy szabadon áramló vízsugárból legfeljebb a mozgási energiájának a 34% -a nyerhető ki.

A hidrokinetikus erőmű (rendszer) a vízgyűjtő egységből, a vízkifolyó egységből és a generátor egységből áll.

A vízgyűjtő egység speciális felületi kialakítását az 1. ábrán mutatjuk. A kék nyilak a víz áramlását szemléltetik. A speciális felület részben elterelve a vízáramot, annak egy részét gyorsítja a lassuló rész mozgási energiáját felhasználva, másrészt leválasztja a felgyorsult részt, és a turbinára tereli. A lelassult rész elfolyik a vízgyűjtő egységet kikerülve.

A vízkifolyó egység (2. ábrán) hasonló mellső felülettel rendelkezik, de a hátsó oldalán kifolyó ablak van, amely a vízelvezetést (DROP) biztosítja.

A hidrokinetikus erőmű elő oldala a 3. ábrán látható, amely a folyásiránnyal szemben helyezkedik el.

A felhasznált víz 5-25% -a folyik csak át a rendszeren. Ez a rész a növelt sebességű vízáram. A 75-95% -ot kitevő lassult vízáram a mozgási energiájának jelentős részét a rendszer körül áramolva leadta az irányváltásra kényszerítés során.
Ezt a sajátos energia átvitelt részletesen az alábbi CFD modellszámításokkal szemléltetjük.
A 4. és 5. ábrákon a CFD számítás eredményét mutatjuk1 m/s bemenő vízsebesség és 5 x 5 m csatornaméret esetén.

A 6. ábrán a modell rajza látható.

A tesztek során a bemenő vízáram mozgási energiáját szétosztottuk egy kisebb keresztmetszetű, de nagyobb sebességű, és egy nagyobb keresztmetszetű, de kisebb sebességű vízáram között. A két rész közötti arányt a terelő elemek alakja, illetve a bemeneti nyílások geometriája határozza meg, a víz áramlási sebessége mellett.

A nagyobb sebességű rész alkalmas a turbinán történő villamos energia termelésre.

A CFD modell számításokat függőlegesen elhelyezett rendszerrel végeztük, hogy az eredmények összemérhetőek legyenek a vízcsatornás kisminta kísérletek eredményével.

A 7-10. ábrák mutatják a CFD számítások eredményeit.

A vízsugár gyorsítással elért vízsebesség a belépő sebesség 4- szeresét is elérte.
A nyilak az áramlás irányát szemléltetik. A mozgó ábrákon követhető a térbeli sebesség, illetve áramlás eloszlás.
A számolt csatorna mérete 5 x 5 x 5 m volt. A színkódokkal jelezzük a sebesség nagyságát.

A 7. ábrán megfigyelhető, hogy a terelő elemek között átáramlott víz iránya megfordul, és jelentős, koncentrált visszaáramlás jön létre. A visszaáramlott víz újra irányt változtatva, az eredeti irányban hagyja el a rendszert az eredeti belépési sebesség 4 -szeresével.
A megfelelő kialakítással ez a gyorsítási arány változtatható. A modellkísérletből látható, hogy a Bernoulli egyenletnek megfelelően a növekvő sebességhez csökkenő mennyiségű átáramlott víz tartozik.

Az áramvonalak mutatják a többszöri irányváltás helyét

Az áramvonalak szemléltetik a belépési és kilépési pontokat.

A 10. ábrán a bemenő sebesség 1 m/s volt. Ez az érték 4,5 -szeresére növekedett a leggyorsabb kiömlésnél (piros szín).

A 11. 12. ábrák a vízcsatornás kisminta tesztet mutatják. A modellt tartó kocsit 0,8-1,2 m/s közötti sebességgel vontattuk.
A látható hullámok és örvények alakja és nagysága alapján megállapíthatjuk, hogy hasonló áramlás jött létre, mint a CFD számításoknál láttunk.
A kis méret és a korlátozott mérési lehetőségeink miatt nem tudtunk kellő pontosságú méréseket végezni, így a hullámkép és az örvények hasonlósága elve alapján a CFD modell számítások számszerű értékeire hagyatkozunk.

A 13. ábrán látható kék gyűrű jelzi a visszaáramlást, és a zöld gyűrű a nagy sebességű hátra áramlást. A zöld nyilak a víz útját jelzik.
A 200 mm hosszú és 40 mm átmérőjű vízgyűjtő egységgel végzett kísérlet megerősítette a CFD eredményeket ebben a tekintetben is.
A függőleges vízáram lehetetlenné teszi a rendezetlen visszaáramlásokat és örvényeket.
A közismert Kármán-féle örvények is elmaradnak. A visszaáramlás mozgási energiája a kimenő vízsugárban hasznosul.

Összefoglalva:
A folyamat a bemenő mozgási energia jelentős részét az 5-10% tömegáramot kitevő rész sebességének 2-4 szeres értékre emelésére fordítja, miközben a tömegáram 90-95 % -át kitevő rész sebességét csökkenti.

A vízgyűjtő és a vízkifolyó egységet egymás mellett vízszintesen elhelyezve egy horizontális rendszert kapunk, amely sekély vízben is jól elhelyezhető, és a hordalékokkal szemben is jól védhető.
Mivel a turbinán csak a gyorsításra felhasznált víz 5-25%-a áramlik át, így annak mérete jelentősen csökkenhet a direkt turbinás kialakításokhoz képest.
A turbinán átáramlott víz a vízkiömlőben létrejött depresszió miatt könnyebben távozik a rendszerből, mint a direkt kiömlésű turbináknál szokásos.

Videó: HYDROKINETIC SYSTEM - 2015

Vízszintes elrendezésű rendszer elülső részének kialakítása. (14. ábra)

Vízszintes elrendezésű, vízbe merített rendszer a hátsó vízkiömlő ablakkal és a turbinával. (15. ábra)

A vízszintes elrendezésnél nem elég informatív a felszín vizsgálata. Folyadék festésre, vagy többpontos nyomásmérésre nem volt módunk.

Alkalmazások:

• Folyók esetén 0,6 m/s, vagy ennél magasabb vízsebesség esetén

• Tengeri áramlatok esetén 0,6 m/s, vagy ennél magasabb vízsebesség esetén

• Folyóknál, ahol a hordalék, vagy az élővilág védelme fokozottan jelentkezik

A Hidrokinetikus erőművet pontonra, vagy kikötött úszó berendezésre is lehet rögzíteni. Folyómeder alján, illetve tengerfenéken is elhelyezhető. Tengeráramlatok hasznosítása esetén a parthoz közeli, ezért lelassult vízáramban is eredményesen alkalmazható, és nincs szükség mélyvízi rögzítésre és elektromos kábelezésre.

Sekély tengerben történő alkalmazás esetén kevésbé zavarja a hajózást és az élővilágot, mint a szabad forgórészű turbinák.