Turbina hidroelectrică cu șuruburi Archimedean

Turbina hidroelectrică cu șuruburi Archimedean este relativ nouă în lumea hidroelectrică la scară mică, apărând pe scenă abia în ultimii zece ani. Cu toate acestea, ele există de mai multe decenii ca pompe, unde zeci de mii au fost instalate în întreaga lume, în special în stațiile de epurare a apelor uzate. Aceiași producători care domină piața pompelor sunt acum principalii furnizori și pe piața hidroenergetică.

Așa cum sugerează și numele, Arhimede este recunoscut pe scară largă ca fiind inventatorul șurubului în anul 250 î.Hr. deși creditul a fost atribuit în mod greșit, deoarece acestea erau de fapt folosite în Egipt cu mulți ani înainte. Din punct de vedere istoric, acestea au fost folosite în irigații pentru a ridica apa la un nivel mai înalt și erau în general acționate de boi, sau chiar de oameni în cazul unor versiuni mai mici. Principiul de bază al unei pompe cu șuruburi arhimediene este prezentat în diagrama de mai sus. Dacă mânerul din partea de sus a fost rotit în sens invers acelor de ceasornic, aceasta ar trage apa de la nivelul inferior la cel superior.

Când este folosită ca hidroturbină, principiul este același, dar acționează în sens invers. Apa intră în șurubul din partea de sus și greutatea apei împinge pe spirele elicoidale, permițând apei să cadă la nivelul inferior și determinând șurubul să se rotească. Această energie de rotație poate fi apoi extrasă de un generator electric conectat la arborele principal al șurubului.

Vârfurile Archimedean pentru hidroenergie sunt utilizate în situri cu înălțime de înălțime redusă/debit mare. Ele pot funcționa eficient la înălțimi de până la 1 metru, deși în general nu sunt utilizate la înălțimi mai mici de 1,5 m (mai mult din motive economice decât tehnice). Șuruburile simple pot funcționa la înălțimi de până la 8 metri, dar peste această înălțime se folosesc în general șuruburi multiple, deși, în multe cazuri, pentru înălțimi de peste 8 metri pot fi disponibile turbine mai adecvate cu amprente mult mai mici.

Debitul maxim prin șurubul arhimedian este determinat de diametrul șurubului. Cele mai mici șuruburi au un diametru de doar 1 metru și pot trece 250 de litri/secundă, apoi cresc în trepte de 250 mm până la un diametru de 5 metri cu un debit maxim de aproximativ 14,5 m3/s. Diametrul maxim de 5 metri se bazează de fapt pe restricțiile practice de livrare și, în multe cazuri, 3 metri este diametrul maxim care poate fi livrat pe un șantier. În cazul în care există un debit mai mare disponibil, mai multe șuruburi pot fi instalate în paralel.

În ceea ce privește puterea de ieșire, cele mai mici șuruburi Archimedean pot produce doar 5 kW, iar cele mai mari 500 kW.

Principalele părți ale unui șurub Archimedean utilizat ca generator hidroenergetic sunt prezentate mai jos. Șurubul propriu-zis se află sub rulmentul superior. Șurubul elicoidal sau „zborurile” sunt realizate din plăci de oțel plate laminate, care sunt apoi sudate la un miez central de oțel. Cele mai multe șuruburi arhimediene au trei palete, sau trei elice separate care se înfășoară în jurul miezului central.

Vârfurile Archimedean se rotesc de obicei la aproximativ 26 rpm, așa că partea superioară a șurubului se conectează la o cutie de viteze pentru a crește viteza de rotație la o valoare cuprinsă între 750 și 1500 rpm pentru a o face compatibilă cu generatoarele standard. Chiar dacă se rotesc relativ încet, șuruburile Arhimedean pot stropi apă, deși acest lucru este redus semnificativ prin utilizarea unei protecții împotriva stropirii, care se arată în jos pe partea stângă a șurubului, așa cum se arată mai jos.

De asemenea, destul de multe șuruburi Archimedean au fost instalate fără nicio protecție pe șurubul propriu-zis, deși am recomanda ca întregul șurub să fie acoperit pentru a preveni căderea și antrenarea de resturi mari, animale sau chiar oameni. Protecția poate fi proiectată în mod simpatic, astfel încât șurubul să fie în continuare vizibil, dacă este necesar.

În mod normal, șuruburile turbinelor hidroelectrice cu șuruburi Arhimedean sunt așezate la un unghi de 22 de grade față de orizontală, care este optim pentru cele mai rentabile instalații. Există posibilitatea de a ajusta ușor unghiul în cazul în care amplasamentul o cere (pentru a se potrivi într-un anumit spațiu, de exemplu).

Cele mai bune șuruburi cu turbină hidroelectrică Archimedean Screw au o viteză de funcționare variabilă, ceea ce înseamnă că viteza de rotație a șurubului poate fi mărită sau redusă în funcție de debitul disponibil în râu. Acest lucru este mult mai bun decât să ai un șurub cu viteză fixă și să variezi debitul prin intermediul unei ecluze automatizate, ceea ce creează pierderi mari de înălțime și afectează eficiența generală a sistemului. Șuruburile cu viteză variabilă sunt, de asemenea, mai silențioase în funcționare și nu suferă de „back slap” la capătul de refulare al șurubului.

O curbă de eficiență tipică pentru un șurub arhimedean cu viteză variabilă de bună calitate este prezentată mai jos. Acesta este randamentul mecanic, deci nu include pierderile din cutia de viteze, generatorul și invertorul (acestea sunt de aproximativ 15% în total). Merită menționat faptul că există unii furnizori de șuruburi Archimedean care „vând prea mult” eficiența șuruburilor, așa că aveți grijă când comparați performanțele. Este posibil ca o eficiență declarată mai mică să nu se datoreze faptului că un anumit șurub este inferior; ar putea fi doar faptul că furnizorul este mai cinstit!

O turbină hidroelectrică cu șuruburi Archimedean de bună calitate are o durată de viață proiectată de 30 de ani, iar aceasta poate fi prelungită cu o revizie majoră care include refacerea zborurilor șuruburilor.

Un avantaj semnificativ al unei turbine hidroelectrice cu șuruburi Archimedean este toleranța lor la resturi. Datorită dimensiunilor relativ mari ale zborurilor șurubului și a vitezei lente de rotație, resturile relativ mari pot trece nestingherite și fără a deteriora șurubul și, cu siguranță, toate resturile mici, cum ar fi frunzele, pot trece fără niciun fel de probleme. Acest lucru înseamnă că nu sunt necesare site fine la intrarea în șurub și că se pot descurca cu site de tip „curs” cu o distanță între bare de 100 sau 150 mm. Acest lucru duce la acumularea unor cantități relativ modeste de resturi pe ecranul de rulare și elimină cerința de curățare automată (costisitoare) a ecranului de admisie, care este necesară în mod normal la sistemele hidroenergetice mai mari cu înălțime redusă.

Viteza redusă de rotație și dimensiunile mari de trecere a debitului ale turbinelor hidroelectrice cu șuruburi arhimedean permit, de asemenea, ca peștii să treacă în aval prin șurub în relativă siguranță. Șuruburile arhimediene sunt adesea promovate ca fiind turbine hidroelectrice „prietenoase cu peștii”, ceea ce fără îndoială sunt, deși noi, la Renewables First, am spune că toate sistemele hidroelectrice ar trebui să fie prietenoase cu peștii, indiferent de tipul de turbină. În cazul sistemelor hidroelectrice fără șuruburi, acest lucru înseamnă doar că ar fi necesare ecrane de admisie bine proiectate și treceri/pasaje secundare pentru pești. Rețineți că, dacă este necesară trecerea peștilor în amonte la o turbină hidroelectrică cu șuruburi Archimedean, va fi necesară o trecere pentru pești.

Avantajul final al turbinei hidroelectrice cu șuruburi Archimedean este simplificarea lucrărilor de inginerie civilă și a fundațiilor. Deoarece șuruburile nu au tuburi de tiraj sau bazine de descărcare, înseamnă că adâncimea oricăror lucrări de betonare pe partea din aval a șurubului este relativ mică, ceea ce reduce costurile de construcție. Lucrările civile sunt, de asemenea, relativ simple, partea principală fiind fundațiile portante de sub rulmenții superior și inferior. În condiții de sol mai moale, fundațiile portante pot fi pilotate.

Înapoi la Centrul de învățare în domeniul hidroenergetic