Mała elektrownia wodna ze śrubą Archimedesa

Polska posiada duży, niewykorzystany potencjał hydroenergetyczny rzek. Obecnie w naszym kraju pracują 752 elektrownie wodne, z czego 736 to tzw. małe elektrownie wodne (MEW), a więc obiekty o mocy zainstalowanej do 5 MW (dane URE na dzień 31.12.2015 r.). Biorąc pod uwagę potencjał hydroenergetyczny krajowych rzek, działające elektrownie wodne wykorzystują go zaledwie w 19%. Pod tym względem Polska zajmuje jedno z ostatnich miejsc w Europie, a warunki do rozwoju energetyki wodnej – zwłaszcza tej małej – potwierdza opublikowana w czerwcu 2015 r. baza RESTOR Hydro, zawierająca dane na temat potencjalnych lokalizacji MEW w Europie. W przypadku Polski to ponad 6 tys. lokalizacji. Budowa MEW wiąże się jednak z przebyciem długiej i skomplikowanej procedury formalnoprawnej, w tym spełnienia restrykcyjnych kryteriów związanych z ochroną środowiska. Małe elektrownie wodne są w polskim prawodawstwie traktowane jako przedsięwzięcia mogące potencjalnie znacząco oddziaływać na środowisko (zgodnie z § 3 ust. 1 pkt 5 rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2010 r. w sprawie przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko – Dz.U. z 2010 r. Nr 213, poz. 1397 ze zm.). Oprócz oczywistych skutków proceduralnych takiego stanu (potrzeba uzyskania decyzji o środowiskowych uwarunkowaniach, zgody na realizację przedsięwzięcia na etapie przygotowawczym inwestycji) inwestorzy branży hydroenergetycznej muszą liczyć się także z koniecznością dostosowania projektowanych obiektów do wymagań stawianych przez instytucje, takie jak Regionalna Dyrekcja Ochrony Środowiska czy Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej. Polska jako członek Unii Europejskiej zobowiązana jest ponadto do przestrzegania wspólnotowej polityki także w zakresie gospodarowania wodami. Stąd realizacja małych elektrowni wodnych wymaga przeprowadzenia ekspertyzy zgodności z celami Ramowej Dyrektywy Wodnej (RDW). Taki przebieg etapu środowiskowego inwestycji z opiniowaniem przez różne organy ma docelowo prowadzić do wypracowania i wdrożenia możliwie jak najbardziej przyjaznych środowisku rozwiązań. Jednym z nich jest wykorzystanie w małej elektrowni wodnej śruby Archimedesa jako turbiny.

Fot. 1 MEW Bronocice ze śrubą Archimedesa zabudowaną rynną

Zalety wykorzystania śruby Archimedesa jako turbiny w MEW

Śruba Archimedesa, jako maszyna prosta, znana jest już od czasów starożytnych. Wynalazek przypisywany Archimedesowi z Syrakuz pierwotnie stosowany był do bezciśnieniowego pompowania wody. Śruba ma kilka zalet, przede wszystkim jest niewrażliwa na zanieczyszczenia stałe znajdujące się w przepływającym medium i nie zwiększa ciśnienia pompowanego płynu, dzięki czemu nie wymaga szczelności. Ponadto do jej skutecznej pracy wystarczą niskie prędkości obrotowe wirnika, urządzenie posiada też prostą konstrukcję. Zasada działania turbiny jest odwróceniem zasady działania pompy. Poszczególne komory znajdujące się między kolejnymi nawinięciami ślimacznicy napełniają się wodą, a ta działając swoim naporem, wywołuje siłę, której wypadkowa rozkłada się na składowe – prostopadłą i równoległą do osi obrotu wirnika. Składowa prostopadła do osi wywołuje moment obrotowy, który następnie zostaje wykorzystany do produkcji energii.

Obecnie produkowane śruby Archimedesa wykonywane są z ruchomym wirnikiem oraz nieruchomą rynną z nim współpracującą. Zdarzają się również rozwiązania, które określa się jako bezprzeciekowe. Układ charakteryzuje się tym, że wirnik nie pracuje w korycie, które ma przekrój połowy koła, tylko jest włożony w rurę obracającą się razem z nim. Eliminuje to przeciek występujący między wirnikiem a korytem w poprzednim rozwiązaniu. Jednak o ile w przypadku pomp, szczególnie o małych średnicach i dużych niedokładnościach wykonania, ma to znaczenie, o tyle w przypadku obecnych turbin wodnych koszty związane z trudnościami technologicznymi wykonania są wyższe niż ewentualne korzyści wynikające z minimalnego zwiększenia mocy turbiny.

Śruby Archimedesa wykonuje się jako konstrukcje spawane z blachy i zabezpieczone antykorozyjnie. Wirniki wyposażone są w kilka nawinięć śrubowych rozłożonych w równych odstępach na średnicy wirnika. W zależności od parametrów pracy spotyka się 3-5 nawinięć. Zarówno średnica wewnętrznej rury, średnica zewnętrzna wirnika, kąt wzniosu linii śrubowej, jak i kąt pochylenia wirnika wpływają na wydajność urządzenia i powinny być indywidualnie dobrane do lokalnych warunków, w jakich będzie pracowała turbina.

Charakterystyka konstrukcji

Z punktu widzenia konstrukcyjnego śruba Archimedesa wydaje się być stosunkowo prosta. Wirnik zawieszony jest na dwóch wałach przykręconych do dekli zamykających rurę, na której nawinięte są zwoje ślimaka; wały zamontowane są w węzłach łożyskowych. Cała trudność w budowie i montażu takich turbin nie leży jednak w ich schemacie mechanicznym. Dotyczy ona przede wszystkim masy poszczególnych elementów, precyzji wykonania i montażu. W zależności od wielkości śruby Archimedesa ważą od kilku do kilkunastu ton i mają gabaryty samochodu ciężarowego; szczelina między wirnikiem a korytem wynosi przy tym ok. 5 mm. Ustawienie współosiowości wałów wymagane jest natomiast w dziesiątych częściach milimetra, podczas gdy odległość między wałami wynosi zazwyczaj ok. 7-12 m.

Rys. Analiza hydrauliczna pracy śruby Archimedesa

Znaczna masa i gabaryty nastręczają także problemów podczas transportu i montażu urządzenia. W większości przypadków turbiny tego typu są ładunkami ponadgabarytowymi, a ich rozładunek i montaż wymagają zastosowania 70-80-to- nowego dźwigu samojezdnego. Węzeł górny podczas pracy przejmuje siłę promieniową o wartości kilku ton i osiową o wartości rzędu kilkunastu ton. To tak, jakby na pojedynczym łożysku zawiesić trzy samochody osobowe w kierunku prostopadłym do jego osi oraz załadowaną ciężarówkę w kierunku osiowym. Górny wał oprócz funkcji podporowej dla wirnika przekazuje moment obrotowy do przekładni. Wartość momentu obrotowego na wale turbiny o mocy ok. 40 kW to 15 kNm. Jest to moment, który generuje ok. osiem TIR-ów średniej mocy.

Przekazanie momentu może odbywać się z wykorzystaniem sprzęgła lub bez jego pośrednictwa. Rozwiązanie techniczne stosowane przez Instytut OZE zakłada wykorzystanie wahliwego górnego węzła łożyskowego i przekładni z ramieniem reakcyjnym zawieszonej bezpośrednio na wale. Taka konstrukcja po pierwsze eliminuje konieczność zastosowania sprzęgła, po drugie niweluje możliwości popełnienia błędów montażowych. Błędy te ze względu na gabaryty można popełnić bardzo łatwo, a niekiedy nieświadomie, co wiąże się z wprowadzeniem niepożądanych sił na łożysko i skróceniem jego żywotności. Turbiny ślimakowe są wolnoobrotowe (ok. 25 obr./min), co pozwala na zastosowanie standardowych i możliwie małych generatorów (o prędkościach obrotowych rzędu 1500 obr./min). W takich przypadkach najczęściej wykorzystuje się proste przekładnie walcowe w korpusach.

Fot. 2 Montaż śruby Archimedesa w MEW Bronocice

Wirnik śruby porusza się w stalowym korycie. Koryto może być elementem szalunku traconego (wówczas jest całkowicie oblane betonem) lub być konstrukcją samo- nośną. Konstrukcja tego typu musi być również odpowiednio zabezpieczona przed możliwością rozbiegu. Rozbieg wirników Archimedesa jest bardzo gwałtowny, ze względu na wysoką masę wirnika i potężny moment obrotowy, jest także groźny dla konstrukcji nośnej turbiny. Ograniczeniami technologii są przede wszystkim spad oraz przepływ w rzece. Ze względu na fakt, że śruba jest pochylona do poziomu pod kątem (od 18 do 27°), każdy metr różnicy poziomów to ok. 2,57 m długości ślimacznicy. Przy wyższych spadach długości turbin stają się więc problematyczne z punktu widzenia technicznego; podobnie jest z przełykami takich turbin. Wirniki śruby Archimedesa przy przełykach ok. 2 m³/s mają średnicę ok. 2,7 m, tak więc są konstrukcjami dość znacznymi gabarytowo. Generalnie maszyny tego typu przeznaczone są do wykorzystania w mikroelektrowniach o mocach kilkudziesięciu kilowatów, spadach do ok. 4 m oraz przełykach rzędu 3 m³/s. Mają przy tym dość prosty system sterowania, który przeważnie ogranicza się do regulacji zastawką umieszczoną na napływie elementów pomiarowych oraz wyprowadzenia mocy. Oczywiście możliwa jest budowa większych elektrowni tego typu, jednak nie zawsze w przypadku tak dużych maszyn cena jest nadal atrakcyjna w porównaniu z innymi rodzajami turbin. Podstawowe zalety śruby Archimedesa wynikają bezpośrednio z zalet pompy, o jakich wspomniano wcześniej. Maszyna nie jest wrażliwa na zanieczyszczenia – ze względu na duże komory i niskie obroty może transportować „w dół” zanieczyszczenia, takie jak liście, gałęzie, butelki itp. Pozwala to na zainstalowanie znacznie rzadszych krat i zmniejszenie straty hydraulicznej. Prosta konstrukcja zmniejsza koszty produkcji oraz niweluje awaryjność hydrozespołu – niewielka ilość elementów ruchomych ogranicza ryzyko wystąpienia awarii.