PRZEDSIĘBIORSTWO HANDLOWO

PRZEDSIĘBIORSTWO HANDLOWO – USŁUGOWE JEZNACH Sp.J.
96 – 500 Sochaczew Wójtówka 1 NIP 837-15-34-935 Regon 014944026
Nr konta PKO BP o/Sochaczew 98102011850000440200125674
KRS 0000092949 e-mail : [email protected]
Tel +48-46-8623262 / 8621575. +48- 602372579 / 604593658 / 660454327 / 604961508
Sochaczew, dnia 09.12.2011 r.
Geneza skonstruowania małej elektrowni wodnej
z wykorzystaniem efektu Jutkina
Wychodząc naprzeciw wzrastającemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną, a także
skomplikowanym biurokratycznym uwarunkowaniom przed inwestycyjnym, grupa
projektantów - naukowców z PHU JEZNACH, chce sprawdzić możliwość wykorzystania
niekonwencjonalnych sposobów odzyskania energii chemicznej i kinetycznej i przetworzenia
w energię mechaniczną z wody. Moment obrotowy z turbiny posłuży do napędu m.in.
generatorów prądu. Pomysł i realizacja projektu będzie zupełnie nowatorskim rozwiązaniem
w dziedzinie docelowego pozyskiwania energii elektrycznej.
Doświadczenia z wyładowaniami iskrowymi w wodzie przeprowadził po raz pierwszy
amerykański uczony T.Lein w 1766r. Wyładowania te były kilkumilimetrowej długości z
dostatecznie gwałtownym frontem i dlatego z wysokim mechanicznym współczynnikiem
sprawności. Wykorzystanie praktyczne tego doświadczenie nastąpiło dopiero po 200 latach
dzięki rosyjskiemu uczonemu L.A. Jutkinowi. Naukowiec ten od 1933r zajmował się
badaniami w zakresie elektrycznych wyładowań iskrowych w wodzie, a szczególnie
poświęcił się rozwiązaniu kwestii otrzymania za pomocą wyładowań elektrycznych
skutecznego uderzenia hydraulicznego. Został on autorem podstaw elektrohydrauliki, w której
opisał zasadę otrzymania tak zwanych super długich wyładowań. Badania jego zostały
uwieńczone opatentowaniem pierwszego i fundamentalnego wynalazku w dziedzinie
elektrohydrauliki: „Sposób otrzymania wysokich i bardzo wysokich ciśnień – efektu
elektrohydraulicznego”. Z czasem to zjawisko fizyczne, uczony poddawał kolejnym
badaniom w wyniku czego, milimetrowe wyładowania elektryczne w cieczy stały się
podwaliną do nowego przemysłowego sposobu transformacji energii elektrycznej w
mechaniczną i może być szeroko wykorzystywane w różnych dziedzinach nauki i techniki.
Urządzenia bazujące na tym wynalazku charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością
pracujących mechanizmów, maszyn i urządzeń. Tego typu urządzenia elektrohydrauliczne
wykorzystywane są głównie w przemyśle maszynowym i hutniczym do wodnego wykroju
metalu, obróbki metalu, czyszczeniu odlewów, rozwalcowania rur w wymiennikach ciepła, a
także budowie rozdrabniaczy z różnymi modyfikacjami do kruszenia kamieni, bloków
skalnych, a nawet w medycynie urządzenia służące do rozkruszania kamieni w nerkach i
woreczku żółciowym na podstawie wykorzystania efektu Jutkina
W naszym projekcie chcemy poszerzyć zakres wykorzystania efektu Jutkina do docelowej
produkcji energii elektrycznej. Kluczem zestawu urządzeń stanowiących Małą Elektrownię
Wodną, będzie urządzenie wytwarzające wysokie ciśnienie wody, które zostanie
wykorzystane w sposób ciągły do napędu turbiny wodnej (np: typu Peltona).
Kluczowe urządzenie zbudowane będzie w postaci zbiornika, wytrzymałego na wysokie
ciśnienia, wypełnionego cieczą. W środkowej części tego zbiornika następować będą
cykliczne wyładowania elektryczne – (wysokonapięciowe, impulsowe) w wyniku, czego
otrzymamy wysokie ciśnienia. W rezultacie wyładowania elektrycznego dokonuje się
bezpośrednie przekształcenie energii chemicznej wody w energię kinetyczną,
jednokierunkowego ruchu wody w cyklu zamkniętym. W przerwach między wyładowaniami
(implozja), dochodzi do wymuszonego zassania cieczy przez zawór wlotowy do pojemnika
elektrohydrodynamicznej sprężarki. W odpowiednim miejscu przebiegu strumienia cieczy,
zostaje napędzona turbina wodna, która pobraną energię kinetyczną zamienia na
mechaniczną, a woda po wykorzystaniu jej ciśnienia, ponownie wraca do hydrosprężarki
przez zawór wlotowy.
Według wiedzy koordynatora projektu oraz osób pracujących w sektorze pozyskiwania
energii elektrycznej, a także naukowców, na świecie nie są znane rozwiązania będące
kluczem i podstawą prac badawczych niniejszego projektu, które docelowo doprowadzą do
pozyskiwania energii elektrycznej, bez jakiegokolwiek ujemnego narażania środowiska i
przyrody. Istotą naszej innowacji jest wykorzystanie efektu elektrohydraulicznego do napędu
hydroturbin wodnych.
Argumenty popierające aspekty użyteczności sprężarki hydrodynamicznej
w kompleksie urządzeń wytwarzających energię elektryczną.
Wcześniejsze badania w zakresie elektrohydrauliki (wykorzystującej efekt Jutkina),
potwierdziły wysoką sprawność wymuszonego zjawiska fizycznego w wyniku, czego bilans
energetyczny daje wysoki wynik dodatni, dlatego docelowa produkcja energii elektrycznej,
może zapewnić zadawalającą zyskowność przyszłym inwestorom Małych Elektrowni
Wodnych.
Obecnie do sfinalizowania takiej inwestycji trzeba przejść bardzo skomplikowany labirynt
biurokratycznych utrudnień z powodu, których tylko 25% wytrwałych i zdeterminowanych
inwestorów realizuje swoje zamierzenia. Głównymi przeszkodami są: trudności w znalezieniu
właściwej lokalizacji (kwestie nabycia prawa do miejsca realizacji inwestycji elektrowni,
własność wód, własność gruntów pod wodami płynącymi, własność budowli i urządzeń
zlokalizowanych na wodach płynących, grunty pod wpływem oddziaływania MEW, grunty
przyległe do elektrowni, jazy i inne budowle, ustalenie granic z wodą płynącą), pozyskanie
decyzji środowiskowej uzależnione od kompetencji i stronniczości urzędniczej, wykonanie
operatu wodno-prawnego, otrzymanie decyzji wodno-prawnej, w której Urzędy często
narzucają własne obowiązki do wykonywania przez inwestora MEW (budowa wałów
ochronnych, przejść i przepływów wodnych, wielokilometrowe czyszczenie przed i za
elektrownią zbiorników wodnych, jako stały warunek funkcjonowania MEW). Dodatkowo
inwestor musi wybudować kosztowne przepławki dla ryb, a także tak zagospodarować
stopień wodny, aby służył innym użytkownikom wód należących do Państwa.
Produkt, jaki docelowo chce oferować pomysłodawca projektu, pozwoli uniknąć
przedstawionych wyżej trudności. Inwestor planujący produkcję energii przy wykorzystaniu
elektrowni wodnej działającej z wykorzystaniem efektu Jutkina, nie będzie uzależniony od
dostępu do cieku wodnego. Inwestycja będzie mogła być zrealizowana na własnej
nieruchomości bez jakiegokolwiek wpływu na ekosystem i środowisko.
Sposób wdrożenia i realizacji projektu
Opracowany w ramach projektu produkt, jakim będzie mała elektrownia wodna pracująca w
oparciu o sprężarkę hydrodynamiczną, w której wykorzysta się efekt Jutkina, zostanie
wdrożony na rynku docelowym.
Projekt realizowany będzie wyłącznie przez pomysłodawcę na jego obiektach. Z uwagi na
gabaryty i złożoność prac badawczych, jest nie możliwe dowożenie prototypu do
specjalistycznych jednostek badawczych. W urządzeniu tym będą zastosowane bez
precedensowe rozwiązania techniczne, dlatego w obawie przed wypłynięciem prac autorskich
badania będą przebiegać pod nadzorem pomysłodawcy, z zachowaniem tajemnicy do czasu
opatentowania lub uzyskania zastrzeżonego wzoru użytkowego.
Etapy realizacji projektu:
a) badania przemysłowe
_ zadanie 1: Opracowanie założeń sprężarki hydrodynamicznej - w ramach zadania zebrana
zostanie wiedza o efekcie Jutkina i wykonane zostaną wstępne obliczenia dla zbudowania
sprężarki hydrodynamicznej. Zadanie ma na celu znalezienie odpowiedzi na pytanie czy na
poziomie teorii efekt Jutkina można wykorzystać do wytworzenia ciśnienia o parametrach 5060 atmosfer i wydajności 15 litrów wody na sekundę. Praca ta zakończona komputerowym
modelowaniem zjawisk i aparatury.
_ zadanie 2: badania dotyczące ilości pozyskanej energii chemicznej, kinetycznej i innej, jako
energii odnawialnej (z wody) do dalszego zagospodarowania. W ramach zadania
zorganizowana została infrastruktura techniczna i badawcza niezbędna do zbudowania
sprężarki hydrodynamicznej, jako instalacji przemysłowej; nastąpi uruchomienie instalacji
przemysłowej (sprężarki hydrodynamicznej); następnie jej modyfikacje w celu wykonania
obliczeń na bazie sprężarki hydrodynamicznej, dotyczących ilości pozyskanej energii
chemicznej,
kinetycznej
i
innej
do
dalszego
zagospodarowania.
b) prace rozwojowe
_ zadanie 3: Skonfigurowanie urządzeń do produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem
sprężarki hydrodynamicznej, jako podstawowego urządzenie generującego energię
odnawialną. Wyniki badań przemysłowych są bezpośrednio wykorzystane do stworzenia
prototypu Małej Elektrowni Wodnej. Opracowana we wcześniejszym etapie sprężarka
elektrohydrodynamiczna jest kluczowym elementem elektrowni, na którą składać się będą
również takie elementy jak turbina Peltona, właściwy generator prądu wraz z szafą
sterowniczą oraz transformator przekazujący prąd do sieci energetycznej.
_ zadanie 4: testy oraz dopracowanie optymalnych wydajności skonfigurowanych urządzeń
do produkcji energii elektrycznej ze źródła odnawialnego. Prototyp elektrowni poddawany
będzie testom i dalszym działaniom usprawniającym.
_ zadanie 5: uszczegółowienie założeń technicznych do budowy Małych Elektrowni
Wodnych z wykorzystaniem przebadanej sprężarki hydrodynamicznej.
W ramach projektu opracowany zostanie prototyp małej elektrowni wodnej opartej na
wykorzystaniu efektu Jutkina. Najbardziej istotnym elementem elektrowni jest opracowana w
ramach projektu sprężarka elektrohydrodynamiczna, która będzie tłoczyła wodę o wysokim
ciśnieniu na łopaty turbiny.
Sprężarka zbudowana jest w postaci zbiornika o pojemności 2000 litrów (pojemność jest
dostosowana do potrzeb i wielkości hydroturbiny i mocy generatora prądu). Uwaga: w trakcie
prac badawczych wielkość zbiornika ulega zmianie.
W skład jego elementów wchodzi: zewnętrzny cylinder wykonany z duraluminium lub innego
metalu plastycznego, cylindra wykonanego z materiału sprężystego (gruby plastik lub
odpowiednia guma), wewnętrznego zbiornika z wodą, podstawowej świecy zapłonowej
(elektrody wykonane z materiałów kompozytowych), sprężystego odboju o powierzchni
wewnętrznej parabolicznej, stycznego przyłącza wyposażone w górny odbój paraboliczny,
elektroizolator świecy zapłonowej, sprężynową ramę oporową elektrohydrodynamicznej
(EHD) instalacji, główny tłumik EHD komory sprężania, hydroamortyzator olejowy,
stożkową dyszę. Dla wyrównania ekstremalnych skoków ciśnienia należy doposażyć
urządzenie powietrzny amortyzator drgań.
Praca EHD sprężarki polega na tym, że do świecy zapłonowej (elektrod) doprowadzone jest
wysokie napięcie elektryczne, które wywołuje regularne wyładowania tworząc falę
uderzeniową. Podczas wyładowania w wodzie z 1g wody z udziałem energii o mocy 1kWs
powstaje 5-10 cm3 gazu. Czas wyładowania to 0,000001 s i tyle samo czasu trwa zwiększenie
ciśnienia. Wyładowania są cykliczne o charakterze reakcji nieprzerwanych – powtarzających.
Fala pod wysokim ciśnieniem wydostaje się górnym elementem stożkowym i dalej poprzez
rurę stalową na łopaty hydroturbiny, która z kolei zamieni wytworzoną energię kinetyczną na
energię mechaniczną wprawiając za pomocą przenoszonego momentu obrotowego w ruch
obrotowy wirnik generatora prądu co spowoduje wytwarzanie energii elektrycznej. Szybkość
obracania się turbiny i jej moment obrotowy regulowane są częstotliwością wyładowań
elektrycznych, napięciem prądu elektrycznego i wartością energii. Ustabilizowanie
parametrów energii elektrycznej następuje za pomocą urządzeń elektronicznych znajdujących
się w szafach sterowniczych oraz za pomocą transformatora. Wytworzona energia elektryczna
zużyta jest przez EHD sprężarkę w około 25%, a pozostała może być sprzedana do sieci
energetycznych, jako czysta energia, bez dewastacji przyrody i jakiegokolwiek wpływu na
środowisko.
Parametry techniczne EHD sprężarki.
Elektrohydrodynamiczna sprężarka powinna wytwarzać stałe ciśnienie i wydatek cieczy
(wody) pozwalające na ciągłą pracę generatora prądu o mocy 300 kW w systemie ciągłym.
Zużycie energii elektrycznej na potrzeby własnych wyładowań elektrycznych ok. 65 kW.
Ciśnienie robocze w zbiorniku sprężarki powinno wynosić 50-60 atmosfer, ciśnienie na
wejściu do zbiornika = atmosferycznemu, wydatek cieczy 11 l/s. Zakładana pojemność
zbiornika 2000 litrów. Średnica przyłącza wejściowego (w sumie) 200 - 260 mm, średnica
przyłącza wyjściowego (w sumie) 160 mm.
Opracował:
mgr.inż Adam Jeznach