Pretvorba vodne energije v električno s tehnologijo hidrodinamičnega vijaka

OPIS TEHNOLOGIJE ARHIMEDOVEGA VIJAKA

Princip delovanja male hidroelektrarne (mHE) sloni na Arhimedovem vijaku, katerega delovanje je znano že iz antike. Arhimedov vijak se danes uporablja predvsem za pretovarjanje, dvigovanje razsutega ali tekočega materiala na višjo raven. Reverzibilno delovanje Arhimedovega vijaka pa lahko izkoristimo za pogon generatorja in pridobivanje električne energije. V svetu je postavljenih veliko malih elektrarn (v Evropi nekaj sto) s tako imenovanim hidrodinamičnim vijakom.

 

Slika 1: Referenčni primer mHE v Italiji z močjo 132 kW

PREDNOSTI HIDRODINAMIČNEGA VIJAKA

Glavne prednosti hidrodinamičnega vijaka se pokažejo pri malih hidroelektrarnah, saj lahko z zelo velikim izkoristkom pretvarjajo hidravlično moč pri majhnem pretoku vode in pri majhnem padcu vode. Hidrodinamični vijak lahko pretvarja vodno energijo na mestih, kjer s klasičnimi turbinami to z ekonomskega vidika ni več učinkovito.

 

Slika 2: Območje delovanja hidrodinamičnega vijaka v primerjavi z drugimi sistemi

Gradnja male hidroelektrarne, ki uporablja hidrodinamični vijak, je zelo enostavna. Potrebni so le manjši posegi v rečno strugo.

 

Slika 3: Primerjava hidrodinamičnega vijaka z običajnimi sistemi

Počasno rotirajoče gibanje hidrodinamičnega vijaka (22–26 rpm) ne škoduje vodnemu ekosistemu. Večje ribe pri prehodu skozi vijak ostanejo nepoškodovane, ker vijak za svoje delovanje ne potrebuje povišanega tlaka, kot je to potrebno pri klasičnih turbinah. To je bilo dokazano z neodvisnimi študijami, kot sta:

  • Fishery Biological Opinion on the Fish Compatibility of the Patented Hydrodynamic Screw by Dr Späh (2001) in
  • Howsham fish monitoring, Fishtek consulting, 2009 (http://www.fishtek-consulting.co.uk/downloads/Fishtek-assessment-of-fish-passage-example-report.pdf).

NAČIN DELOVANJA HIDRODINAMIČNEGA VIJAKA

Hidrodinamični vijak lahko učinkovito pretvarja vodno energijo v električno na mestih, kjer so ostale tehnologije manj učinkovite. Razpon pretoka na vijak je od 0,1 do 6,1 m3/s in z višino padca med 1 in 10 m. Stopnja učinkovitosti pri teh parametrih pa lahko doseže tudi 90 %. Vijak doseže visok izkoristek tudi ob močno zmanjšanem pretoku – pri 20 % kapacitete lahko vijak z regulacijo vrtljajev doseže 70-odstotni izkoristek.

 

Slika 4: Stopnja učinkovitosti v primerjavi z drugimi sistemi

Na vijak lahko proizvedemo tudi do 300 kW električne energije. Pri večjem pretoku vode lahko preostali pretok izkoristimo s postavitvijo več vijakov vzporedno (na primer 3 x 300 kW = 900 kW). Pri večjem padcu vode pa jih lahko postavimo tudi zaporedno po brežini, kar je manj pogosto.
Obratovalni pretok skozi vijak se določi na podlagi hidrološke študije. Prava izbira največjega pretoka je zelo pomembna, saj z optimalnim delovanjem zagotovimo optimalno delovanje elektrarne.

DELOVANJE MHE NA HIDRODINAMIČNI VIJAK

Hidroelektrarno, ki jo poganja hidrodinamični vijak, sestavljajo trije glavni deli:

  • strojni del (hidrodinamični vijak, multiplikator, zapornice),
  • električni del (generator, oprema za nadzor elektrarne, oprema za sinhronizacijo elektrarne z električnim omrežjem) in
  • gradbeni del (konstrukcija klančine, stojnice, kanala).
     

 



 Slika 5: Prikaz sestave mHE na hidrodinamični vijak

STROJNO-TEHNIČNI OPIS

Hidrodinamični vijak

Hidrodinamični vijak podpirata zgornji in spodnji ležaj. Spodnji drsni ležaj je potopljen in zanj se uporablja okolju prijazno mazivo. Nad nosilnim radioaksialnim ležajem je vijak preko fleksibilne sklopke povezan z multiplikatorjem.

Multiplikator

Multiplikator povezuje vijak in generator. Poveča število vrtljajev, tako da se generator vrti z ustreznimi vrtljaji. Na osi multiplikator-generator se ponavadi vgradi dodatna zavora za ustrezno zaustavitev vijaka.

 

Slika 6: Multiplikator in generator

Zapornica v vtoku

Pred vsakim vijakom je treba vgraditi zapornico, ki služi zaprtju dotoka vode na vijak. Uporabimo jo pri vzdrževanju in zaščiti vijaka pred naraslo deročo vodo. Zapornica je zaradi varnosti elektrarne zasnovana tako, da se ob izpadu električne energije v omrežju pod lastno težo spusti ter tako zaustavi pretok vode in s tem ustavi elektrarno.

 

Slika 7: Varnostna zapornica skupaj z rešetkami in zapornica talnega izpusta

Zapornica talnega izpusta

V pregrado je priporočeno namestiti zapornico, ki služi za izpuste viškov vode mimo male hidroelektrarne ter za odvajanje proda in večjih naplavin pred vtokom v dovodni kanal. Z njo nadziramo količino vode pred pregrado – jezom, hkrati pa služi kot regulator nivoja zgornje vode in kot odvodni kanal viškov vode ob visokih vodah. Zapornica je elektronsko krmiljena, njeno spuščanje oziroma dvigovanje pa opravlja hidravlika.

ELEKTRO-TEHNIČNI OPIS

Vijak poganja asinhroni generator, ki za zagon potrebuje vzbujevalno napetost. Dobi jo iz omrežja. Hidroelektrarna se zažene tako, da asinhroni generator, ki lahko služi tudi kot motor, zavrti vijak; ko vijak doseže določeno hitrost, se zapornica odpre in vrtenje vijaka prevzame voda. Glavna slabost asinhronega generatorja se pokaže pri zmožnosti proizvajanja konstantne frekvence f = 50 Hz, povzroči pa jo nihanje števila vrtljajev v minuti (nihanje količine pretoka). Popravimo jo z uporabo inverterja in AFE (active front end), ki nadzorujeta hitrost vrtenja generatorja in posledično vijaka ter zagotavljata optimalno delovanje vijaka. AFE pretvori enosmerni tok, ki ga dobi iz inverterja, v izmenični tok in vzpostavlja sinhronizacijo z električnim omrežjem. AFE zagotavlja zelo nizko harmonično popačenje, tok pa je v fazi z napetostjo in tako AFE ne izmenjuje jalove moči, ki jo povzroči asinhroni motor z električnim omrežjem.

 

Slika 8: Blokovna shema inverterja, AFE in generatorja

AFE je primerno uporabljati pri elektrarnah, kjer je razlika med največjim in najmanjšim pretokom na vijak velika, saj tako zagotovimo, da bo elektrarna delovala tudi ob močno zmanjšanih pretokih. S tem načinom povečamo količino proizvedene električne energije. Kadar je pretok na vijak relativno konstanten ves obratovalni čas, se asinhroni generator priklopi neposredno na omrežje.

 

Slika 9: Blokovna shema inverterja, AFE in induktorja/RFI

Slika prikazuje način, kako so povezani različni električni sestavni deli elektrarne, ki skrbijo za pravilno dobavo električne energije. Seveda elektrarna vsebuje še druge električne dele, kot so:

  • transformator po potrebi,
  • varovala: odklopniki, ozemljitveni rele, zaščita proti delovanju strele, prenapetostna varovala,
  • nadzorni sistem: nadzorna programska oprema PLC,
  • senzorji: senzorji pretoka, višine vodostaja, temperature ipd.

Potrebna gradbena dela

Osnovna gradbena dela vsebujejo gradnjo dotočnega in iztočnega kanala ter klančine, v kateri je vijak. Klančina in oba kanala se dopolnijo s strojnico, v kateri je predvsem elektro-hidravlična oprema; to opremo (nadzor elektrarne, AFE, hidravlični agregat …) pa lahko postavimo v kakršen koli objekt v neposredni bližini vijaka. V nekaterih primerih je treba poleg vijaka zgraditi še ribjo stezo, ki omogoča minimalni pretok po stezi in tako selitev rib po toku navzgor, ali vzporedni kanal za izpuščanje viškov vode.

Slika 10: Gradnja klančine

Oblika elektrarne je zasnovana kot celota; pogonski, prenosni in generatorski del so v enem kosu, kar pomeni hitrejšo in enostavnejšo montažo. Pri postavitvi strojnega dela niso potrebna zahtevna gradbena dela s pripadajočimi študijami, na primer betoniranje vlivnih tunelov, turbinskih jaškov, nosilnih konstruktov v objektu, mostnih dvigal ipd. Prednost in konkurenčnost hidrodinamičnega vijaka predstavljata enostavna in hitra postavitev ter prilagoditev obstoječemu stanju.

SKLEP

Tehnologijo hidrodinamičnega vijaka proizvaja podjetje Andritz, ki ima številne reference in izkušnje pri gradnji elektrarn. Podjetje Exor Eti, d.o.o., je uradni zastopnik te tehnologije v Sloveniji in na območju nekdanje Jugoslavije. Zagotavlja dobavo in posredno prodajo proizvodov opreme za tovrstno hidroelektrarno. 

Avtor

Matjaž Berce 
EXOR ETI d.o.o. 

Povejte naprej: