В Запорожье, в русле Днепра, можно построить электростанцию на возобновляемом источнике энергии

Подводные энергетические установки (ПЭУ) - альтернативный, чистый возобновляемый источник энергии. Они не потребляют топлива, не производят никаких вредных выбросов в окружающую среду, а медленное вращение лопастей не препятствует миграции рыбы и даже водолазов. Кроме того, роторно-лопастные ПЭУ не требуют строительства плотин и вообще больших строительных работ. Они могут быть смонтированы на опорах мостов либо установлены на дно водоема на груз достаточной массы. ПЭУ могут быть установлены либо в местах, свободных от судоходства (в стороне от фарватера), либо в самом фарватере, ниже осадки самого тяжелого судна. Кроме того, для увеличения скорости вращения ротора ПЭУ, и, соответственно генерируемой мощности, на дне могут строиться небольшие запруды, ускоряющие поток и направляющие его к лопастям.

Вода намного плотнее воздуха. А точнее, в 816,32 раза. А это означает, что кинетическая энергия движения одного кубометра воды и воздуха будет одинакова при различии скоростей этих субстанций в те же 816, 32 раза: 

Согласно данным Википедии, средняя скорость течения в русле Старого Днепра – 0,1 м/сек.  Но, есть места, где скорость течения выше – 0,2; 0,3 и даже 0,4 м/сек.  Например, между островом Байды и правым берегом реки – 0,2 – 0,4 м/сек, а у южной, а также – северной оконечности Хортицы и Правым берегом – 0,3 м/сек. Кстати, между северной оконечностью Хортицы и судоходным каналом шлюза ДнепроГЭСа – скорость достигает 0,6 и более  м/сек.

Нам нужно подсчитать, сколько киловатт генерирует наша подводная электроустановка (ПЭУ) за час.

Итак, нам известно, что (здесь считаем для скорости течения 0,1 м/сек и диаметра размаха лопастей нашей ПЭУ, результаты для других значений приведены в таблице ниже):

- плотность воды – ρ_воды=1000 кг/м³ (это самое плотное состояние ее жидкой фазы при +4 градусах по Цельсию);

- скорость потока  = 0,1 м/сек;

- поперечное сечение, через которое проходит поток воды (диаметр размаха лопастей) – Dл=3 метра (S_л=7,065м²);

- диаметр генератора, находящегося в оси лопастей – Dг=0,5 метра (S_г=0,196м²);

- КПД генератора (стандартное) - η_г=0,95;

- КПД ротора с встроенным редуктором (мультипликатором), связывающим тихоходный вал энергоустановки с быстроходным ротором генератора - η_р=0,9;

- коэффициент использования мощности потока, учитывающий долю мощности, получаемой энергоустановкой от водяного потока - К_мощ=0,45.

Мощность водяного потока, протекающего через площадь воздействия на 3-метровые лопасти энергоустановки в течение одной секунды:

Р_воды=0,5* ρ_воды* *(S_л-S_г) = 3,43 Вт;

Мощность, развиваемая, энергоустановкой в секунду:

Р_ПЭУ= Р_воды* η_г* η_р*К_мощ = 1,32Вт;

Таким образом, за час получаем работу, произведенную нашей ПЭУ:

W= 3600*Р_ПЭУ=4,75 кВт-час.

Таким образом: роторно-лопастной подводный генератор с диаметром размаха лопастей 3 метра и «слепой» зоной в 0,5 метра, погруженный в водяной поток, имеющий скорость течения 0,1 м/сек, способен генерировать 4,75 кВт-часов электроэнергии.

Ввиду того, что поток воды в месте установки ПЭУ постоянный, нет необходимости организовывать поворотные лопасти для изменения угла атаки, что ее упрощает и, следовательно, удешевляет. Однако, к форме лопастей нужно отнестись серьезно, чтобы они не тормозили вращение и вообще, не были повреждены внутренними силами сопротивления. Для этого в месте установки ПЭУ проверяется градиент скоростей течения воды по всей плоскости вращения лопастей. Исходя из этого будет рассчитан не только их угол атаки в каждой точке от центра до края, но и ширина, чтобы выполнялось условие постоянства угловой скорости вращения ω в любой точке лопасти на ее радиусе R.  Проще говоря, если плоскость вращения лопастей ПЭУ представить в виде множества концентрических окружностей, вращающихся независимо друг от друга, каждая из них должна обеспечить одинаковую угловую скорость, чтобы нанесенная на них линия радиуса продолжала оставаться прямой.

Диаметр лопастей зависит от глубины установки ПЭУ и может быть увеличен, что, соответственно, приведет к росту генерируемой мощности.

В Запорожье вдоль острова Хортица в русле Старого Днепра, где глубина достигает 25 метров, можно установить множество ПЭУ с большим размахом лопастей, собрав их в ПЭС (подводную электростанцию). Кстати, при малых скоростях потока, достаточно устанавливать трехлопастные ПЭУ, т.к. большее число лопастей только увеличит сопротивление потоку, что приведет к падению скорости вращения.

Таблица зависимости генерируемой ПЭС мощности от диаметра лопастей ПЭУ и скорости течения потока воды

 

Как видно из таблицы, генерируемая мощность сильно зависит от скорости течения и диаметра лопастей генератора. Поэтому, конечно же, ее нужно выбирать места установки ПЭУ для обеспечения максимальной производительности.