ModMEW dla Rzek Nizinnych

AQUA-Tech wspólnie z grupą rodzimych producentów, firmami:

• WODEL – zajmującą się budową turbin wodnych,
• KOMEL – specjalizująca się w budowie generatorów prądu,
• ELMARK – zajmującą się budową urządzeń elektro-energetycznych,
  przygotowała koncepcję budowy Modułowych Małych Elektrowni Wodnych – ModMEW dla rzek nizinnych. Koncepcja Modułowej Małej Elektrowni Wodnej – ModMEW opiera się na zasadzie modułów konstrukcyjnych:

• elektrowni modułowej,
• modułu jazowego,

MODUŁ ELEKTROWNI

Elektrownia modułowa składa się z jednego lub kilku turbozespołów. W naszej koncepcji, są to turbozespoły zbudowane z turbiny Kaplana zespolonej współosiowo z synchronicznym generatorem prądu. Hydrozespół konstrukcji WODEL, został wyposażony w innowacyjną wirową komorę wlotową, optymalizującą pracę łopat turbiny oraz zwiększającą efektywność turbiny przy niskim spadzie. Na wale napędowym turbiny jest umieszczony synchroniczny generator prądu firmy KOMEL. Zaletą tego rozwiązania jest brak koniecznego dla typowych konstrukcji wzbudzenia prądowego przy rozruchu turbozespołu. Ponadto, eliminacja przekładni stosowanych przy typowych zespołach turbinowych, znacząco zmniejsza opory ruchu, zwiększając tym samym ilość produkowanej energii.

W zależności od dostępnej ilości wody w cieku, możliwe jest stosownie od jednego do wielu turbozespołów. Turbozespół (jeden lub kilka) umieszczony jest w komorze turbinowej sekcji elektrowni. Poszczególne turbozespoły są podłączone do elektronicznego zespołu sterującego, umieszczonego w niewielkim budynku sterowni, gdzie znajdują się moduły elektroniczne projektowane przez firmę ELMARK.

System elektroniczny optymalizuje pracę turbin w funkcji przepływu i produkcji energii elektrycznej. Poprzez elektroniczny system stabilizujący, energia elektryczna jest przekazywana do sieci energetycznej. Umieszczenie turbozespołu poziomego w otwartej komorze turbinowej (nad turbinami nie ma typowej zabudowy budynku elektrowni) posiada zaletę łatwego dostępu montażowego, także dla zadań przeglądowych i remontowych. Korpus elektrowni znajduje się w przyczółku brzegowym rzeki i praktycznie jest on schowany w kanale napływowym, dzięki czemu budowla jest mało widoczna, nie szpecąc walorów krajobrazowych.

Plan produkcyjny przewiduje budowę turbin wodnych typoszeregu turbozespołów średnicy:

• 750 mm i mocy nominalnej 22 kW,
• 1100 mm i mocy nominalnej 45 kW,
• 1300 mm i mocy nominalnej 75 kW,
• 1550 mm i mocy nominalnej 100 kW,
• 1800 mm i mocy nominalnej 120 kW.

Na etapie wdrożenia projektowo-produkcyjnego przewidujemy produkcję turbin o średnicy 1300 mm i mocy nominalnej 75 kW przeznaczonej do projektowanej obecnie pierwszej instalacji demonstracyjnej Mod-MEW. Projekt ten przewiduje zainstalowanie 4-ro sekcyjnej elektrowni o mocy nominalnej 300 kW (4×75 kW).

MODUŁ JAZOWY

Dotychczas najczęściej stosownym rozwiązaniem piętrzącym są jazy stałe. Z uwagi na zagrożenia jakie niosą za sobą konstrukcje tego typu, rozpoczęto poszukiwania innego rozwiązania, które eliminuje typowe wady jazów stałych. Rozwiązaniem takim są jazy ruchome typu powłokowego lub klapowego.

Typowa konstrukcja jazu powłokowego/klapowego oparta jest na budowli hydrotechnicznej składającej się z płyty dennej która jest osadzona w dnie rzeki – bez konieczności podniesienia piętrzenia typowego dla jazu stałego, oraz z przyczółków bocznych zabudowanych w brzegach rzeki. Na konstrukcji bocznej i dennej mocuje się powłokę jazową (także z klapami), wykonane w technologii kompozytowej.

Powłoki jazowe są wytwarzane są wielowarstwowo. Elementem konstrukcyjnym jazów powłokowych jest tkanina techniczna wykonana z włókna poliestrowo-poliamidowego o odpowiedniej wytrzymałości. Spoiwem łączącym poszczególne warstwy tkaniny technicznej są elastomery. Na powierzchniach zewnętrznych powłok jazowych stosuje się materiał gumowy o odpowiednich parametrach wytrzymałościowych dla warunków panujących w rzekach. Jest on szczególnie odporny na promienie UV – mając za zadnie opóźnienie cyklów starzeniowych. Dzięki takiej konstrukcji, żywotność gumowych powłok jazowych wynosi około 20-25 lat, do ich wymiany. Wielką zaletą konstrukcji ruchomych jazów powłokowych jest wysoka odporność na warunki zimowe. Zewnętrzne warstwy gumowe dzięki swoim parametrom fizyko-mechanicznym są odporne na przymarzanie od kry lodowej, co znacznie upraszcza system konserwacji i zapewnia bezpieczeństwo budowli hydrotechnicznej w warunkach eksploatacji zimowej. Ponadto budowle tego typu nie zawężają światła rzeki, co jest istotne dla bezpieczeństwa otoczenia podczas przepływów wód wysokich i powodziowych.

Jaz powłokowy typu hydraulicznego podnoszony jest od dna w kierunku górnego poziomu rzeki za pomocą wody pompowanej z zasobnika wodnego, do powłoki jazowej. Jest to konstrukcja, która może pracować w pełnym lub częściowym zatopieniu. Przy niskich przepływach powierzchnia powłoki może być odkryta.

Dla projektu Mod-MEW przewidywane są typowe wartości techniczne modułów powłok jazowych:

• wysokość robocza powłoki jazowej w zakresie od 0-300 cm,
• jednostkowa długość jazu powłokowego w zakresie od 10-100 m.

Dla jazów ruchomych o parametrach piętrzenia do 100 cm, ze względów eksploatacyjnych dla przeciwdziałania zamarzaniu w okresach zimowych proponowane jest stosowanie modułów klapowych z siłownikiem powłokowym napełnianym powietrzem.

Klapa jazowa posiada konstrukcję kompozytową, zbrojoną tkaniną techniczną z pokryciem poliestrowym. Klapy kompozytowe są elastyczne i posiadają wysoką odporność udarową. Stosowanie klap kompozytowych z pokryciem poliestrowym (w odróżnieniu od dotychczas stosowanych klap stalowych) zapobiega przymarzaniu klapy jazowej od kry lodowej oraz śryżu (tzw. lód prądowy), który ma strukturę kryształkową i płynąc z prądem rzeki ma tendencję do skupiania i osadzania się na przedmiotach znajdujących się w wodzie (szczególnie na konstrukcjach stalowych) stanowiąc wysokie zagrożenia dla budowli hydrotechnicznej. Klapa kompozytowe została wyposażona w zawias elastomerowy, który w swojej konstrukcji posiada szczelność liniową zapobiegając niekontrolowanym przepływom i podmywaniu instalacji. Jako element siłownika dla klap kompozytowych stosuje się powłokę gumową przystosowaną do napełniania powietrzem lub wodą.

Dotychczas, zapory i jazy zwykle budowane były w poprzek rzeki, prostopadle do jej osi. Konstrukcja taka najczęściej była związana z kosztami budowy jazu. Jednocześnie biorąc pod uwagę sposób zabudowy elektrowni, która zwykle budowana jest na brzegu rzeki, poza jej nurtem, okazuje się że pobór wody przez turbiny powoduje zaburzenia dynamiki przepływów, a jaz zbudowany w poprzek nurtu dodatkowo powoduje jego odbicia, efektem czego są zawirowania strugi znacząco obniżające efektywność pracy turbin.

W naszym opracowaniu przyjęta została koncepcja geometrycznego odchylenia jazu ruchomego od osi rzeki, dzięki czemu jaz ruchomy jest jednocześnie kierownicą naprowadzającą strugę wody do komory turbinowej.

Dodatkowo, programowany system pracy jazu oparty na systemie pompowym stale utrzymuje poziom piętrzenia rzeki na zadanym poziomie niezależnie od dopływów wody w rzece oraz w funkcji optymalnej pracy hydrozespołów elektrowni. Przy małym przepływie pracować będzie jeden hydrozespół przy utrzymaniu optymalnej wysokości piętrzenia; podczas wzrostu dopływu wody do elektrowni system elektroniki sterującej będzie włączał do pracy kolejne turbozespoły.

Podczas wystąpienia wód powodziowych, jaz zostanie całkowicie obniżony do poziomu rzędnej dna rzeki, pozwalając na bezproblemowy przepływ fali powodziowej, a elektrownia zostanie wyłączona.

System sterownia jazem i elektrownią pracuje automatycznie, a wszystkie stany dotyczące wysokości piętrzenia jazu, stanu pracy elektrowni, stanów awaryjnych mogą być przekazywane łącznie z odczytem graficznym w dowolne miejsce, za pomocą sieci GSM.

Opisane rozwiązania stanowią nowatorskie podejście do budowy małych elektrowni wodnych, szczególnie dla rzek nizinnych. Prace modelowe wykazuje możliwość zwiększenia produkcji energii odnawialnej nawet o ok. 30-50 % w stosunku do dotychczas stosowanych typowych instalacji małych elektrowni wodnych. Ponadto rozwiązanie to wspomaga retencjonowanie wód słodkich oraz rozwój organizmów wodnych poprzez utrzymywanie zbiorników przepływowych w obrębie małych elektrowni wodnych.