Георги Тончев

Гравитационна водовъртежна центробежна

водно-електрическа централа на малки водни падове

(По-долу е част от патентното описание)

Гравитационната водовъртежна центробежна електроцентрала (вижте снимки) има редица предимства пред чисто гравитационната. Първото е, че както споменахме по-горе, енергията на водата е увеличена  понеже се самовърти. Въртенето й е технически много изгодно, защото преобразуването на водовъртеливо движение във въртене на турбина става чрез турбини, работещи с много по-висок коефициент на полезно действие, в сравнение със случая на турбини, въртящи се от линейно постъпваща  вода. На практика всички известни ВЕЦ имат турбини със специални  направляващи апарати, които да пренасочват линейно постъпващия воден поток към лопатите им. В случая, и по принцип, водовъртежна турбина няма никакъв направляващ апарат към ротора си, което няколкократно я поевтинява (около 3 пъти). Второто предимство на водовъртежа, е че водата попада в отвор в центъра на басейна със сравнително малък диаметър, поради което тя се ускорява допълнително и трето, въртящата се вода има свойство да понижава температурата си и да увеличава плътността си (максимална плътност водата има при температура +4 градуса по Целзий). Намаляването на температурата на водата води до енергийно компенсиращо допълнително увеличение на кинетичната й енергия,  която се оползотворява от специално конструираната реактивна турбина, която е основен предмет на това изобретение.

Централно място в изобретението заема конструкцията на турбината. Нейните лопати са кухи. Входящите им отвори са 3-5 пъти по-големи от изходящите, през които водата се инжектира по допирателната на въртенето на ротора. Съгласно принципа на непрекъснатостта на потока, скоростта на изтичащата от лопатите вода е 3-5 пъти по-голяма, от тази на входящата. Известно е че, реактивната сила е пропорционална на квадрата на скоростта на излизащата вода.  Затова реактивната сила на изтласкваната вода е от 9 до 25 пъти по-голяма, от реактивна сила, предизвикана от скоростта на входящата в лопатите вода. А съответният реактивен въртящ момент е максимален, защото струите изтичат от периферията на ротора, които са на най-голямо разстояние от оста на въртенето й (т.е. реактивната сила е приложена върху най-дългото възможно рамо). Освен ускоряването на струята, поради стесняващия се профил на кухината на лопатата към периферията й, допълнително ускорение на водата в кухината създава и центробежната сила, предизвикана от въртенето. Тази сила е пропорционална на квадрата на оборотите и тя е налице и при равномерно движение (постоянни обороти не ротора). Последното е съществено важно, защото класическата дефиниция за положителна сила е пряко свързана с някакъв вид ускорително движение, а когато то е равномерно - силата е нула. Затова някои теоретици спорят дали центробежната сила се вписва в класическото понятие за сила или е физичен феномен.

Самата конструкция на кухите лопати не само замества  направляващия апарат на известните турбини за ВЕЦ и насочва изтичащите реактивни струи по оптимален начин, но и ускорява значително изходящия воден поток. Затова изобретената реактивна водовъртежна турбина е по-ефективна от всички известни турбини за ВЕЦ, в процеса на преобразуване на кинетичната енергия на водата в електрическа, и същевременно е в пъти по-евтина, защото скъпият, тежък и обемист направляващ апарат е заменен от къси кухи и леки реактивни турбинни лопати.

С оглед на посочените енергийни и технически преимущества на гравитационната водовъртежна електроцентрала нейното изграждане е възможно да стане с около половината от разходите за изграждане на гравитационна ВЕЦ с известните Каплан турбини, например, при аналогични условия. Съответно - себестойността на произведеното електричество се получава по-малко от половината от това на подобен ВЕЦ с Каплан турбина. Немаловажно е да се отбележи фактът, че водовъртежната центробежна електроцентрала, съгласно изобретението, работи и с по-малко количество вода (дебит), в сравнение с аналогични ВЕЦ, защото тя се върти в дълбочина, в окото на водовъртежа, което е в центъра на водовъртежния басейн. Тук не се спираме на екологичните й преимущества, които са очевидни. За приблизителна ориентация за оразмеряване на мощността на водовъртежна турбина може ориентировъчно да се приеме, че с воден дебит от около 100 литра в секунда ще работи турбина с мощност 1 киловат.

От патент на САЩ № US 3372905 e известен метод за производство на електроенергия, чрез вертикално-осева центробежна 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.

Техническа същност на изобретението
Цел на настоящото изобретение е да се създаде гравитационна водовъртежна центробежна водноелектрическа централа (вижте снимки), която да бъде високо енергийно ефективна при преобразуване на кинетичната енергия на водата във водовъртежа в механична енергия на вала на турбината и лопатите й да могат оптимално да се настройват според условията на водовъртежа.
Основната цел е постигната чрез гравитационна водовъртежна водноелектрическа централа, за която водата постъпва по канал във водовъртежен басейн, в центъра на който има отточен отвор, а над него е монтирана една центробежна вертикално-осева турбина с радиално монтирани лопати около вертикалния вал, който е свързан към електрически генератор, характеризираща се с това, че турбината е с кухи овални вертикални лопати, при което предните им овални стени, по посоката на въртене на турбината, са плътни, а противостоящите им й овални стени имат отвори, като лопатите имат и вертикални процепи в перифериите си.
В едно предпочитано изпълнение на гравитационна водовъртежна водноелектрическа централа перифериите на лопатите на турбината описват мислена конусоподобна ротационна фигура при въртенето си, със стесняваща се част към отточния отвор.
В друго предпочитано изпълнение на гравитационна водовъртежна водноелектрическа централа броят на лопатите на турбината намалява по дължината на вертикалния вал в посока към отточния отвор.
В друго предпочитано изпълнение на гравитационна водовъртежна водноелектрическа централа междината между двете овални стени на всяка лопата намалява с увеличение на разстоянието от вертикалният вал на турбината към периферията на лопатите.
В друго предпочитано изпълнение на гравитационна водовъртежна водноелектрическа централа междината между двете овални стени на всяка лопата може да се променя.
В друго предпочитано изпълнение на гравитационна водовъртежна водноелектрическа централа сумарната площ на всички отвори, в едната овална стена на всяка лопата на турбината, е по-голяма от площта на съответните вертикални процепи в перифериите им.

Предимствата на центробежната водовъртежна ВЕЦ, 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 вцентробежната ВЕЦ 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.

Инвестиционните преимущества на вложенията за строителните и монтажните работи за гравитационна водовъртежна водноелектрическа централа в нисконапорни водни течения, са че те се възвръщат бързо, защото са ниски, не само поради ниската себестойност на турбината, но и защото значително се намаляват разходите по изграждането на електроцентралата като цяло (вижте снимки).

Турбината на електроцентралата, съгласно изобретението, е монтирана така, че да има достатъчно разстояние между периферията й и стените на водовъртежния басейн, за да могат безпрепятствено да преминават рибите и другите водни обитатели. Реактивната Савониус турбина намира широко приложение и при хидрокинетични електроцентрали на свободни водни течения в реките, в океаните, както на морските вълни и на приливите и отливите.

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.

Вижте видео от презентацията в БТА тук !

Вижте снимки на водовъртежна ВЕЦ тук !

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

(По-долу е част от патентното описание)

Предшестващо състояние на техниката
От патентна публикация № WO2006071142 е известна система за преобразуване на кинетичната енергия на океански течения с двойки контравъртящи се Савониус турбини, които са подложени на динамично въздействие по посоката на водния поток и същевременно на въздействие в перпендикулярна на него посока, поради така наречения Магнус ефект. Противоположно-въртящите се турбини, в значителна степен взаимно се уравновесяват. Затова цялата система, монтирана на свързани понтони, е по-добре балансирана и е енергийно по-ефективна. Савониус турбините се въртят винаги в една посока, независимо от посоката на течението. Всяка от турбините е с полуцилиндрични лопати, монтирани към съответен роторен вал, всеки свързан към устройство за генерация на електричество
Известната система, и всички други подобни използващи Савониус турбини, имат съществен недостатък, който следва от ниската енергийна ефективност на самите турбини при преобразуването на кинетичната енергия на движещата се вода в електричество.
Известни са различни видове хидроелектроцентрали, работещи в безнапорни водни течения. Те използват различни видове хидрокинетични турбини. Естествените водни течения са сравнително бавни. Затова и хидрокинетичните турбини се въртят сравнително бавно, което налага проектирането на трансмисии към електрогенераторите им, които включват многостепенни скоростни кутии за многократно увеличаване на оборотите.
От патентна публикация в САЩ № WO2007130479 е известна подводна двутурбинна хидроелектроцентрала, предназначена за работа във водни течения, монтирана на понтон. Двете й турбини са монтирани непосредствено една до друга под понтон и се въртят в срещуположни посоки, под действието на водния поток. Всяка от тях има множество роторни лопати, монтирани към един роторен вал. Всяка турбина има собствена трансмисия, която я свързва, през една скоростна кутия, към отделен електрогенератор.
Известната хидроелектроцентрала има баластен резервоар, чрез който се регулира положението на понтона във водата.
Посочената двутурбинна хидроелектроцентрала, както и други подобни на нея, се характеризират с монтирането на отделни многостепенни скоростни кутии (мултипликатори на оборотите) на всяка от турбините в индивидуалните им трансмисии с отделен електрогенератор за всяка турбина. Част от възлите и агрегатите в трансмисиите им работят под вода. А това затруднява тяхното оперативно поддържане, усложнява ги и ги оскъпява в крайна сметка, което води и до повишена себестойност на генерираната електроенергия.

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..

Показаната на видеото хидрокинетична електроцентрала не изисква, нито водохващане, нито напорни тръбопроводи. За нея не се прави сграда, където да бъдат турбините и другите съоръжения и апарати. Те се монтират под и над закотвени понтони в реката или на фундаменти в дъното й. Хидрокинетична електроцентрала е широко приложима за самостоятелно електрозахранване на свързани и несвързани към публичната електромрежа обекти, както и за хибридни хидро-фотоволтаични инсталации.

За хидрокинетичните ВЕЦ повече може да прочетете тук 

39A, Jerusalem Street. Sofia, BG - 1784,  E-mail me  Voice / Fax: +3592 8760 431, +3592 8770 481, +3598 9787 2857