Гидроэнергетические сист. Использование воды для получения механической энергии достаточно старая практика
 Скачать 3.89 Mb.
|
|
корпусе плунжера "выдавливается вверх" в воздушный цилиндр через нагнетательный клапан. В то же самое время механическая отдача позволяет импульсному клапану возвратиться к исходному положению. Выходное отверстие, таким образом, вновь открывается, и поток, ранее остановленный клапаном, возобновляет свое движение, пока не набирает скорость, необходимую для воздействия на клапан во второй раз, и т.д. Этот цикл повторяется от 40 до 90 раз в минуту, в зависимости от размера плунжера, падения водяного потока, и т.д. Плунжер может работать автоматически в течение нескольких месяцев, без сервисного вмешательства, так как единственными движущимися частями являются импульсный и нагнетательный клапана, изготовленные из резины. Вода, выталкиваемая в воздушный цилиндр, попадает в напорную трубу и уже по ней поступает к вентилю. Водяной поток не прекращается в течение всего времени работы плунжера. Для того, чтобы поднять воду на высоту от 10 м до 15 м, высота, с которой происходит падение воды, необходимое 45 для работы плунжера, может не превышать 0,5 м. Для подъема воды на уровень до 100 м, или для ее передачи по трубопроводу на расстояние до 1 км высота падения воды должна быть в диапазоне от 2 до 10 метров. Сама по себе установка чрезвычайно проста. Все, что требуется - это источник воды, находящийся на месте предполагаемой установки. Дренажная труба идет от источника воды непосредственно к плунжеру. Труба должна быть большого сечения и изготовлена из нержавеющей стали или чугуна. Ее длина зависит от высоты, на которую вода должна закачиваться. Корпус плунжера может быть любым, наиболее важное условие - это правильно сделать бетонное основание, на котором крепится плунжер. На работу плунжера не влияют температурные изменения, в отличие от традиционных систем, когда при низких температурах система может покрыться льдом. При определении напора необходимо учитывать полный ("статический") напор и рабочий ("динамический") напор. Полный напор - это вертикальное расстояние между вершиной подводящей трубы (труба, подводящая воду под давлением к турбине) и точкой, где вода освобождается из турбины. Рабочий напор - это полный напор минус давление или гидравлические потери, связанные с трением и явлением турбулентности в трубе. Эти потери зависят от типа, диаметра, длины трубы, количества изгибов и колен. Можно использовать полный напор для приблизительной оценки мощности, но для подсчёта действительной получаемой мощности необходимо использовать данные по рабочему напору. Существует несколько способов определения полного напора. Самая точная методика - профессиональное исследование местности. Если вы знаете, что высота падения воды равна нескольким десяткам метров, можно использовать авиационный высотомер - менее дорогой прибор, но и менее точный способ. В некоторых странах можно купить или арендовать высотомер в аэропорту или аэроклубе. Важно учитывать атмосферное давление и соответственно калибровать высотомер. Другой способ - использовать метод "шланга/трубы", описанный ниже. Какой бы метод вы ни использовали, необходимо определить вертикальное расстояние между точкой вхождения воды в подводящую трубу и точкой выхода воды из турбины. Всегда соблюдайте технику безопасности при работе около или в потоке, особенно в узких или крутых руслах и быстрой проточной воде. Никогда не работайте в одиночку. Никогда не входите в воду, в которой не видно дна или не исследовав глубину водоема шестом. 46 Для определения напора методом "шланг/труба" вам нужен помощник. Кроме того, вам потребуется 6 - 9-метровый садовый шланг малого диаметра или другой гибкий трубопровод, раструб и измерительная линейка или мерная лента. Растяните шланг или трубу вниз по руслу реки от точки, которую вы определили как наиболее подходящую для трубчатого водозабора. Пусть ваш помощник держит входной патрубок шланга с раструбом под водой как можно ближе к поверхности воды. В это же время поднимайте находящийся ниже по течению конец шланга до тех пор, пока вода не перестанет литься из него. Измерьте вертикальное расстояние между вашим концом трубы и поверхностью воды. Это и будет величина статического напора для сечения потока на расстоянии между вами и вашим помощником. Пусть ваш помощник подойдет к тому месту, где вы проводили измерения, и опустит в этом месте раструб в воду. Вы продолжайте идти вниз по течению и повторите процедуру измерения. Продолжайте измерения до точки, где планируется установка турбины. Суммирование результатов замеров даст приблизительное значение статического напора для вашего местоположения. Заметьте, что благодаря силе воды, втекающей во входной патрубок шланга, вода может продолжать литься сквозь шланг после того, как оба конца шланга находятся на одном уровне. Чтобы учесть это явление, вы можете вычесть несколько сантиметров из значений, полученных при каждом измерении. Во время проведения этих предварительных измерений нужно соблюдать меры безопасности. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ВОДЫ Окружающая среда и климатические условия, также как и вмешательство человека в районе водораздела, определяют ежедневные и сезонные характеристики потока. Водохранилище может контролировать расход, но если дамбы ещё не существует, ее постройка может значительно увеличить финансовые и юридические проблемы. Данные относительно водотока можно получить из местных учреждений или уполномоченных по снабжению водой и регулированию стока данного региона. Если такие данные получить невозможно, необходимо провести собственное исследование источника воды. Если вы не планируете строить водохранилище, за основу для проектирования системы можно взять среднегодовые данные, отражающие самые низкие уровни скорости потока. Как альтернативу можно использовать среднестатистические данные в предполагаемые периоды максимальной потребности в электроэнергии. Эти данные могут совпасть или не совпасть с периодом самой низкой скорости потока. Могут иметься правовые ограничения на количество воды, которую можно расходовать в определённое время года. В таком случае, вы должны использовать это количество как основу для проектирования. 47 Измерение величины потока немного труднее. В первую очередь потому, что измерения нужно провести в нескольких местах. Это связано с тем, что большинство потоков "вбирает" воду по ходу движения. Поэтому выбор лучшего положения для вашей системы требует тщательного исследования. Существует несколько способов измерения расхода воды. Рассмотрим два из них. В обоих случаях вся вода должна пройти через трубу или плотину. Общий метод для измерения расхода воды в малых потоках - метод "ведра". Он заключается в том, чтобы запрудить поток брёвнами или досками и отклонить его по направлению к ведру или в другую емкость. Этот метод является самым простым для измерения расхода воды при значениях меньше 5 л/сек. Подобный расход воды обеспечивает работу большинства малых гидросистем. Итак, как указывалось ранее, необходимо построить временную дамбу, затем приладить короткую трубу, с достаточно большим диаметром для того, чтобы управлять всей водой в дамбе, которую вы планируете использовать для генерирования электроэнергии. Используя ведро известной емкости и секундомер, можно подсчитать время, которое требуется для наполнения ведра. Процедуру нужно повторить несколько раз, чтобы удостовериться в точности результатов. Время, необходимое для наполнения ведра и есть расход воды. Например, если 20-литровое ведро наполнилось за одну минуту, то расход воды составляет 20 литров в минуту. Можно также использовать другой метод грубой оценки потока. Для проведения исследований этим методом нужно перейти реку вброд. Не используйте этот метод, если поток быстрый, а глубина водоема выше пояса, так как вы можете потерять равновесие и утонуть. Никогда не входите в реку или ручей, если не видно дна! Всегда проверяйте глубину и рельеф дна шестом прежде, чем войти в воду. Для выполнения измерений этим методом, вам потребуется помощник. Из инструментов необходимо взять рулетку, измерительную линейку или калиброванный шест, тяжелый поплавок (пластиковая бутылка, наполовину заполненная водой), секундомер и немного миллиметровой бумаги. Начните с вычисления площади поперечного сечения потока во время самого низкого расхода воды. Чтобы сделать это, выберите участок реки с прямым руслом и максимально одинаковой глубиной и шириной. В самой узкой точке этого участка измерьте ширину потока. Затем с измерительным шестом пройдите поперек потока и измерьте глубину с интервалом 30 см. Убедитесь, что держите измерительный шест вертикально. Для удобства можно растянуть поперек потока струну или веревку, на которой отмечены необходимые интервалы. Отметьте эти глубины на миллиметровке. Таким образом, вы получите профильное сечение потока. Определите площадь каждого квадрата профильного сечения потока, вычисляя площади прямоугольников и треугольников в каждом сечении. Просуммируйте все полученные значения для получения общей площади. 48 Затем определите скорость потока. От точки, где вы измерили ширину, отмеряйте 10 м вверх по течению и отпустите поплавок на середину потока. Точно засеките время, которое потребуется поплавку, чтобы пройти расстояние между двумя точками. Проследите, чтобы поплавок не ударялся или не тянулся по дну. Если это происходит, используйте поплавок меньший по размеру. Разделив расстояние между двумя точками на время прохождения его поплавком (в секундах), вы получите скорость потока в метрах за секунду. Повторите эту процедуру несколько раз, чтобы получить среднее значение. Чем большее количество замеров вы сделаете, тем более точный результат получится. Если поплавок застревает, начинайте сначала, иначе полученные результаты будут очень неточными. Умножьте среднюю скорость на площадь поперечного сечения потока. Полученную величину умножьте на коэффициент, который учитывает шероховатости дна реки (0.8 для песчаного дна, 0.7 для каменистого дна с мелкими камнями и 0.6 для дна с крупными камнями).В результате получится расход в кубических метрах за секунду. Учтите, что эта величина будет отражать расход именно во время измерения. Нужно повторить процедуру несколько раз во время сезона, когда поток небольшой, чтобы более точно оценить средний расход низкой воды. Нет необходимости измерять глубину каждый раз. Достаточно измерить глубину воды выше или ниже того уровня воды, когда вы впервые проводили измерения, и вычислить площадь для большего или меньшего количества воды, прибавить или вычесть это значение от базовой площади поперечного сечения. Можно также на берегу установить отметку уровня воды при помощи калиброванного шеста или столбика, и тогда вы будете легко определять уровень воды и вычислять площадь поперечного сечения потока. Однако процедуру определения скорости потока нужно в любом случае повторять каждый раз. Возможно, вы сможете откорректировать данные, полученные в результате измерений, с помощью данных о выпадении осадков в данной местности в течение длительного срока или данных о потоках близлежащих рек. Помните, что, независимо от полученной величины расхода, вы можете законно использовать только некоторое количество потока! Также попытайтесь определить, существуют ли планы по разработке или изменению ландшафта вверх по течению от планируемого места установки ГЭС. Лесозаготовки, к примеру, могут значительно изменять водоток. ПОТЕРИ В СИСТЕМАХ ТРУБОПРОВОДА Необходимо учитывать потери в системе трубопровода, вызванные шероховатостью стенок трубы и крепежа, которые приводят к необратимому преобразованию энергии текущей жидкости в теплоту. 49 Различают две формы потерь: потери из-за трения и местные потери. Потери из-за трения происходят из-за напряжений сдвига между смежными слоями воды, скользящими друг по другу с различной скоростью. Самый тонкий из водяных слоев, касающийся стенки трубы, не двигается, а скорость каждого слоя по концентрической окружности увеличивается к центру трубы. Если частицы жидкости передвигаются гладкими слоями, поток называют ламинарным или вязким. В инженерной практике поток в трубопроводе обычно является турбулентным, то есть частицы движутся беспорядочно и с переменной скоростью. Важно использовать трубопровод достаточного диаметра, чтобы минимизировать потери на трение от движущейся воды. Желательно, чтобы трубопровод был закопан в землю, так как это снижает вибрацию трубы. Местные потери возникают при изменении размеров поперечных сечений в клапанах и в изгибах труб. Эти потери иногда считают незначительными, поскольку в длинном трубопроводе их влияние может быть относительно малым по сравнению с потерями из-за трения. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ И напор, и поток играют важную роль для выработки электроэнергии. Даже расход нескольких литров воды в секунду может быть полезен, если имеется достаточный напор. Так как мощность равна произведению величины напора на величину потока, следовательно, чем больше обе величины, тем большее количество энергии можно выработать. Чтобы вычислить полезную мощность, нужно также учитывать потери напора из-за жидкостного трения в трубопроводах и коэффициент полезного действия (КПД) используемых машин. Простая формула для потенциально вырабатываемой мощности выглядит следующим образом: Мощность (кВт) = Напор (м) x Расход (т/с) x Ускорение свободного падения (9,81) x КПД (0,6) где Напор = рабочий напор = статический напор - потери (м); общий КПД был установлен в размере 60 %. Для малых мощностей, в первом приближении, формула может быть упрощена: Мощность (Вт) = Напор (м) x Расход (л/сек) : 2 50 Здесь общий КПД принимается за 50 %. Тем не менее, нужно относиться с осторожностью к эмпирическим вычислениям. Значения КПД в пределах 50-60% (включая КПД турбины и генератора), которые были выбраны для вышеупомянутых уравнений, зависят от рабочих условий (напора и потока). Вообще, малонапорные тихоходные водяные колеса менее эффективны, чем скоростные высоконапорные турбины. Общий КПД системы может варьироваться между 40 % и 70 %. Хорошо спроектированная система достигает среднего КПД 75 %. Изготовители турбины должны обеспечить максимально возможную выходную мощность для турбины, исходя из вашего напора и расхода. Также будут присутствовать "линейные" потери в электропроводах, передающих электроэнергию от генератора до места потребления. Аккумулятора для накапливания электроэнергии и турбины/генератора, мощностью 500 Вт (12 кВт·ч в день), будет достаточно для освещения небольшого здания, обеспечения работы холодильника, телевизора и других бытовых приборов. Помните, что экономное использование энергии и применение энергосберегающих приборов может значительно понизить энергопотребление. Рассчитать ежегодное производство электроэнергии (E) можно по формуле: E (кВт·ч) = Мощность (кВт) x Время (час), где "время" - число часов эксплуатации в году. В большинстве случаев предполагается 5000 часов. ДЛЯ СПРАВКИ В типичной малой ГЭС каждый литр в секунду (0.001 м 3 /с) воды, падающей с высоты 1 метр, может выработать 20 - 30 кВт·ч электроэнергии ежегодно. 51 Переводные коэффициенты. Вот некоторые из переводных коэффициентов, которые Вам могут потребоваться при оценке мощности ГЭС: 1 кубический фут (cf) = 7,48 галлонов; 1 кубический фут в секунду (cfs) = 448,8 галлонов в минуту (gpm); 1 дюйм = 2,54 сантиметра; 1 фут = 0,3048 метра; 1 метр = 3,28 футов; 1 cf = 0,028 кубических метров; 1 м 3 = 35,3 cf; 1 галлон = 3,785 литра; 1 cf = 28.31 литров; 1 cfs = 1698,7 литров в минуту; 1 кубический метр в секунду (м 3 /с) = 15842 gpm; 1 фунт на квадратный дюйм (пси) давления = 2,31 фута (напора) воды; |