Гидроэнергия имеет ряд весомых преимуществ по сравнению с традиционными в наше время энергоресурсами. Для гидроэнергетики нет необходимости добывать, обрабатывать и транспортировать сырье (как, например, топливо для дизельных генераторов). Но в нашей стране используется гидроэнергетический потенциал в основном только крупных рек и только для производства электроэнергии с необходимостью сооружения высоких и массивных плотин. К сожалению, гидроэнергетический потенциал малых рек остается почти без внимания.
Предлагаемый в статье способ получения тепловой и электрической энергии [2,3,6] базируется на преобразовании кинетической энергии всего объема воды, движущегося с начальной скоростью в замкнутом водоводе низконапорных водотоков, в энергию гидравлического удара за короткий промежуток времени при помощи автоматического клапана гидротаранной установки. Под действием гидравлического удара в установке начинается волновой процесс, давление в трубопроводе повышается, совершается механическая работа по радиальному перемещению подвижных нагнетательных клапанов-мембран гидропривода, соединенных с подвижными рабочими органами линейных тепло- и электрогенераторов [1,4]. При работе линейных электрогенераторов происходит нагрев и выделение значительного количества тепловой и электрической энергии.
Величина кинетической энергии 
объема воды плотностью ρ, движущейся в установке с первоначальной скоростью υ, на длине водовода равной c определяется по известной физической формуле
где,
υ0 - первоначальная скорость движения воды, м/с;
ρ - плотность воды, кг/м3;
D - внутренний диаметр водовода, м.
Механическая работа A, совершаемая за счет энергии инициированного в водоводе гидравлического удара при последовательном перемещении подвижных клапанов-мембран установки на величину Δh, на длине c от ударного клапана к началу трубопровода в течение одной секунды, за счет среднего во времени ударного давления в водоводе, равного половине его максимального значения, определяется по формуле
где,
|
D1 |
- |
поперечный размер подвижных частей стенок водовода, м; |
|
∆h |
- |
радиальные перемещения подвижных нагнетательных клапанов-мембран водовода при совершении механической работы под действием давления ∆P, м; |
|
с |
- |
скорость распространения ударной волны от автоматического клапана установки к началу водовода, м/с; |
|
ΔP |
- |
величина ударного давления, Па. |
Эта механическая работа приводит в действие линейные тепло- и электрогенераторы [1,4], соединенные с подвижными нагнетательными клапанами-мембранами и равномерно распределенные по всей его длине. Выполненная механическая работа по радиальному перемещению подвижных частей водовода и, соответственно, рабочих органов линейных тепло- и электрогенераторов, соединенных с ними, является одновременно снимаемой механической мощностью, так как выполняется эта работа в течение одной секунды.
Процесс преобразования кинетической энергии движущейся в водоводе жидкости в механическую работу при помощи установки является дискретным и периодическим. Полезная механическая работа снимается на первой фазе гидравлического удара в водоводе, когда потери энергии незначительны, далее следует пауза для накопления кинетической энергии воды в водоводе, и процесс повторяется. Для непрерывного во времени снятия механической мощности необходимо наличие, как минимум, двух одинаковых гидроагрегатов, работающих в противофазе.
При пробеге волны давления ΔP в течение одной секунды на расстояние средняя удельная энергия единицы объема жидкости будет равна половине величины ударного давления, значение которого определяется по известной формуле Н.Е. Жуковского (5). Волна давления распространяется в водоводе со скоростью c, в свою очередь, скорость зависит от упругих свойств воды и стенок водовода, от площади подвижных частей стенок водовода и величины их радиального перемещения. Скорость распространения ударной волны c в водоводе и величина ударного давления ΔP определяется, решая совместно систему уравнений:
|
|
(3) |
|
|
(4) |
;
,
где
|
E1 |
- |
модуль упругости воды, Па; |
|
E2 |
- |
модуль упругости материала стенок водовода, Па; |
|
δ |
- |
толщина стенок водовода, м; |
|
k |
- |
коэффициент, учитывающий долю подвижных частей стенок водовода в периметре его поперечного сечения, |
На рис.1 приведены результаты расчета механической мощности гидроагрегата, работающего по вышеизложенному способу, выполненного из водовода (трубопровода) диаметром Dнар=1,42м с толщиной стенки δ=0,025м, поперечный размер подвижных частей стенок водовода и радиальные перемещения подвижных нагнетательных клапанов-мембран принимаются D1=0,3м и h=0,01м соответственно. Коэффициент расхода трубопроводной системы гидроагрегата μ, характеризующий потери энергии в гидравлических сопротивлениях, зависящий в основном от конструкции автоматического ударного клапана установки, принимается, для примера, равным 0,2.
Рис.1 Результаты расчета механической работы
1 - Ек (кДж/с=кВт), величина кинетической энергии объема воды, движущегося в водоводе с первоначальной скоростью которая преобразуется в гидроагрегате в течение одной секунды в потенциальную энергию упругой деформации и полезную механическую работу (мощность); 2 - А (кВт), механическая работа, совершаемая в единицу времени при последовательном перемещении подвижных частей стенок водовода на величину h.
Как видно из графика на рис.1, часть кинетической энергии потока воды, движущегося с первоначальной скоростью, преобразуется в потенциальную энергию упругой деформации самой жидкости и стенок водовода. Остальная, большая часть кинетической энергии расходуется на совершение механической работы по перемещению подвижных частей стенок водовода.
При механической работе по радиальному перемещению подвижных частей стенок водовода, соединенных с подвижными рабочими органами линейных тепло- и электрогенераторов, происходит нагрев и выделение значительного количества тепловой энергии. Заключив линейные электрогенераторы в теплоизолированные рубашки, по которым прокачиваются жидкие теплоносители, последние могут быть также использованы в качестве теплогенераторов. В этом случае энергия потока воды более полно преобразуется в полезную мощность. Для выработки только тепловой энергии можно использовать специальные линейные генераторы, в которых механическая работа непосредственно превращается в тепловую энергию.
Описанный способ получения энергии позволяет снимать значительную механическую мощность с маловодных низконапорных водотоков, достаточную для автономного тепло- и энергоснабжения зданий и сооружений. Кроме того, описанный способ имеет ряд описанных выше преимуществ перед автономным энергоснабжением, основанным на использовании сырьевых ресурсов.
Рецензенты:
- Моисеев Б.В., д.т.н., профессор кафедры промышленной теплоэнергетики, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, г. Тюмень.
- Чекардовский М.Н., д.т.н., зав. кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, г. Тюмень.