Расчёт напорной микро ГЭС
Гидроэнергетика,Альтернативная энергия,ГЭС
Если пластина неподвижна и перпендикулярна скорости потока, то на нее действует сила
Где:F – сила давления потока [н],
Сx – коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела,
ρ – плотность воды 1000 [кг/м3] , или плотность воздуха 1,29 [кг/м3]
S – площадь поперечного сечения пластины [м2]
Vв – скорость воды, ветра [м/с].
Коэффициент Cx зависит от формы тела. Понятно, что скорлупка, обращенная отверстием навстречу потоку, имеет большее сопротивление, чем та же скорлупка обращенная выпуклостью к потоку. Самым же обтекаемым будет каплеообразная форма тела, обращенная тупым, а не острым, как ни странно, концом к потоку. Значения коэффициентов Cx для некоторых тел приведены ниже.
Тонкая пластина перпендикулярная потоку Cx =1,11 – для небольших пластин и Cx = 1,33 для больших, размером несколько метров, пластин Полусфера, отверстие обращено навстречу потоку (парашют) Cx=1,33 Полусфера, отверстие обращено по потоку Cx =0,35 Тело обтекаемой каплеобразной формы Cx =0,05
Когда пластина движется, то она как бы убегает от потока и относительная скорость потока, набегающего на пластину, снижается. Поэтому сила напора потока также будет меньше
Мощность равняется произведению силы на скорость
Мощность, получаемая от потока, составит
Если пластина неподвижна, то полезная мощность равна нулю. Если пластина движется со скоростью потока, то она не испытывает давления и мощность тоже равна нулю. Есть оптимальная скорость пластины, при которой получаемая мощность максимальна. Эта скорость равна 1/3 от скорости потока. Напорные установки очень медленные. Привести в действие от нее какой-либо механизм или генератор становится проблемой. В старину такие установки применялись для помола муки. Их скорость хорошо была согласована с медленными жерновами. Сейчас проще от гидроустановки получить электроэнергию, а уж потом все необходимые работы произвести с помощью электроустановок. Но состыковать напорную установку с генератором - большая проблема. Требуется мультипликатор с коэффициентом в несколько сотен раз.
Максимальный теоретический КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра, воды), который можно получить от напорной установки с вогнутыми лопастями составит 0,197. Это в три раза ниже, чем у пропеллера. Поэтому суммарная площадь поперечного сечения (миделя) лопастных установок будет в 6 раз больше, чем у пропеллера.
Мощность напорной установки будет равна:
N = 98,5SV3
Где:N - мощность в Вт
S - площадь миделя опущенного в воду в квадратных метрах. Т.е. это площадь одной пластины, находящейся в воде, а не сумма всех пластин, находящихся в воде.
V - скорость реки м/с
Если взять багажник от Жигулей и поместить его в поток воды 1 м/с, то он испытывает давление около 660 Н или более привычно 66 кгс, когда неподвижен. Обращаться с такой установкой в воде чрезвычайно сложно. И опасно. А мощность в итоге получается очень маленькой. Около 100 Вт. Кстати, для подъема кубометра воды в сутки на высоту в 10 метров необходим постоянно включенный моторчик чуть больше ватта. Без учета потерь. Из этого расчета, в общем-то, и возникла идея сделать напорную микро ГЭС из багажников Жигулей - "гравицапу". Реальность оказалась такова, что получаемая мощность съедается потерями на трение в насосе. Да и речки такие быстрые редкость. В основном 0,5 м/с и меньше. Мощность установки в потоке 0,5 м/с в 8 раз меньше, чем при 1 м /с - 12 Вт. Такой мощности не всегда хватит даже на преодоление сил трения.