Лі А.Г.

Національний технічний університет України «КПІ»

МІНІ ГЕС НА КІЛЬЦЕВОМУ ПОТОЦІ ВОДИ

Будівництво такої ГЕС передбачає водозабір від річки, напірний трубопровід, спіральний або кільцевий лотки, що направляють потік на турбіну і генератор, пов'язаний з турбіною. Розігнаний потік, вливається з вхідного патрубка, набуває форми кільцевого лотка типу гідрокільця. Біля входу потоку в кільцевий лоток (на дні) встановлено поріг. Дно кільцевого лотка знаходиться нижче рівня вхідного патрубка на висоту порогу. На зовнішньому борту кільцевого лотка, де встановлені монорейки, перед вхідним патрубком розміщений сегментний поверхневий злив, забезпечений горизонтальною регулюючої засувкою по дузі зовнішнього борту. Під зливом розміщається ємність для забору зливної води, що переходить у відвідний патрубок по дотичній корпусу, а в центрі корпусу лоткового гідрокільця встановлений пілон для кріплення вісі ротора гідротурбіни або генератора електричного струму.

Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) для даної ГЕС є так звана «Гравітаційно-водоворотня станція» Франца Цотлетерера зі Швецарії, що включає під’єднуючу систему водоводу (напірна деривація), кільцевої, у вигляді циліндра, басейн зі спіральним водоворотним випуском в центрі, куди поміщається гідротурбіна з вертикальною віссю обертання і генератором струму.

Будова ГЕС на кільцевому потоці води пояснюється наступними схемами:

Сх.1. Схема (поперечний розріз по діаметру) кільцевого лотка з входом потоку і виходом з природним тиском води від річки.

Сх.2. Орієнтовна схема в плані можливого R-каскаду кільцевих мікро-ГЕС, що розміщуються за природним ухилом ландшафту на одному швидкотоці.

Сх.3. Поперечний розріз кільцевого корпусу з електричним генератором.

Сх.4. Кільцева ГЕС, вид згори.

Розгінний канал влаштовується по замкнутому кільцю з бортовим водовідводом, скидний проріз у верхній частині борту направляє потік в лоток і як би продовжує свій шлях далі за тим же початковим напрямком. При такій схемі кільцевого басейна і при тих же параметрах напору сила потоку може використовуватися ефективніше за рахунок енергії кінетичного гідрокільця. Це можливо, якщо лопатеву турбіну розмістити на направляючих, закріплених по верхньому краю кола обох бортів басейну, тобто з'являється додатковий момент сил. Турбіна може кріпитися своєю віссю в центрі басейну (при діаметрі зовнішнього борту не більше 6 метрів) або з можливістю опори роликами на внутрішню частину монорейок. Якщо діаметр кільця більше 6 м, то турбіна стає планетарним механізмом, а генератори можуть встановлюватися: всередині вільної порожнини кільця; за зовнішнім бортом кільцевого каналу.

Робочі лопатки турбіни опущені в потік води кільцевого лотка. Глибина води в лотку, ширина кільцевого лотка і натиск розраховуються окремо для кожного діаметра басейну напору потоку. Подібні кільцеві спіралеподібні басейни можуть складатися: по ухилу ландшафту, в каскад з мінімальними витратами матеріалів (сх.2).

У даній схемі ГЕС (з верхнім розташуванням турбіни і генераторів) великий діапазон використання: як за місцем розташування щодо джерела напору (річки) або споживача енергії, так і за формою перетину кільцевих басейнів, їх розмірів і комплектації в каскади. Та найголовніше те, що розширюються можливості застосування за обсягом витрат річок і зовсім інші нові способи добування електричної енергії з кінетичної енергії кільцевого потоку.

ГЕС працює таким чином: потік води, взятий за допомогою деривації з річки, по швидкотоку чи трубі 5 направляють до залізобетонного або пластикового кільцевого лотка 1 (сх.1, сх.2, сх.4.) розрахункового діаметра. Вода, по під’єднуючому лотку 5, входить в спіраль лотка 1, закручуючись, набуває додаткове прискорення і йде через бортовий скидник в лоток 6 або в деривацію на наступну станцію (сх.2). Перед входом у лоток встановлений поріг 7, що регулює рівень потоку в спіральному лотку Якщо кільцевий канал ГЕС, невеликого діаметра (до 6 м), то гідротурбіна 9 може бути розміщена своєю віссю обертання 3 на пілоні 2 у центрі кола усередині порожнини, а лопатки 4, розміщені по краю кола турбіни, контактують з водним швидкотоком в кільцевому лотку та за допомогою роликів 11 з монорейкою 8 (сх.1).

Турбіна, обертаючись від потоку води, через будь-яку відому редукцію передає обертання на генератор, і чим менше втрати на редукторах, тим більша отримана потужність. Потужність може бути більшою при збільшенні діаметру кільцевого лотка до 8 м (більше нераціонально), але при цьому випадку турбіна 9 при обертанні спирається роликами 11 на кільцеві монорельси 8, встановлені по верхніх краях лотків і представляє вже сегментне кільце турбіни з лопатками Відбір потужності обертання у такої планетарної турбіни також вимагає особливих технічних рішень і являє ноу-хау. «Відпрацьована» вода після першої міні ГЕС по водоводу 6 направляється або назад у річку, або по лотку на наступну станцію в каскаді, якщо дозволяє нахил місцевості.

Переваги такої системи полягає в тому, що ГЕС з відбором потоку від річки, кільцевих лотків і сегментної турбіни прості і не дорогі у виготовленні, з литого бетону, в пластмасі (діаметром до 6 м, методом «мокрого торкрету»). Схема ГЕС технологічна (в порівнянні з аналогами) в експлуатації та ремонті, тому що турбіни і генератори знаходяться на відкритих майданчиках і доступні з усіх боків. Міні ГЕС можуть бути виконані безпосередньо на місці (не традиційного заводського виконання), у майстернях споживача енергії.

Вир, що утворюється в міні ГЕС, сприяє терморегуляції у водоймі - збільшена площа контакту води з повітрям призводить до її охолодження влітку; взимку ГЕС продовжує працювати під льодом, найбільш щільна вода тяжіє до центру виру, по краях циліндра утворюється крижана кірка, яка виступає в ролі утеплювача, що не дає занадто сильно охолодитися центру.