NO332363B1 - Lavtrykks elvekraftverk - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et lavtrykks elvekraftverk, omfattende flere på rekke anordnete turbin- og sugerørsmoduler.

Vannkraft representerer i dag den mest lønnsomme av alle fornybare energikilder. Den tekniske løsningen har primært blitt ivaretatt gjennom installasjon av forskjellige aggregater. Som eksempler nevnes: PELTON turbin aggregater for store fallhøyder (høytrykk) med trykk/høyde (m) / slukeevne (m3/s) kombinasjon 100 - 1000 m / 0,02 - 4 m3/s. FRANCIS turbin aggregater (også Crossflow) for midlere trykk (medium trykk) med trykk/høyde (m) / slukeevne (m3/s) kombinasjon 10 - 200 m / 0,4 - 20 m3/s. KAPLAN aggregater for lavere trykk (lavtrykk) med trykk/høyde (m) / slukeevne (m3/s) kombinasjon 3 - 40 m / 2 - 40 m3/s.

Lønnsomheten med installasjonene basert på dagens investeringskostnader og dagens inntekter (priser på elkraften) gir grunnlag for investeringer av KAPLAN og FRANCIS aggregater. For små kraftverk i lavtrykksegmentet bygges der i dag nesten ingen KAPLAN kraftverk da det er vanskelig å oppnå lønnsomhet med denne løsningen. Det til tross for at potensialet for lavtrykksaggregater i Norge og i en rekke andre land er meget stort i form av sakteflytende elver med relativ stor vannføring og lite fall.

For dagens småkraftverk (opp til 10 MW) er det flere utfordringer. Blant annet spesialdesignet turbin og generator, samt enkeltvis ordreproduksjon, herunder omfattende ingeniøraktivitet. Noen forenklinger foreligger gjennom leverandørers erfaring med mange ulike leveranser. Transformator må tilpasses generatorytelse. Ofte benyttes nærliggende standard transformator fra produsent. Videre må el/kontroll/ apparatanlegg designes og sammenstilles som enkeltvis ordreproduksjon basert på leverandørens erfaring med tilsvarende leveranser av ulike dimensjoner og ytelser. Det kreves omfattende entreprenørarbeid for kraftstasjonsbygning stor nok til å romme komplett elektromekanisk leveranse.

For høytrykks PELTON og mellomtrykk FRANCIS inngår også inntak med inntaksmateriell og rørgate mellom inntak og kraftstasjonen samt omfattende entreprenørarbeider i denne forbindelse.

Fra patentlitteratur skal det blant annet vises til WO2011/013027 A1, og som beskriver et modulbasert kraftverk for benyttelse i et basseng. Systemet er primært for stor fallhøyde, der verket er plassert under vann i et vannbasseng og med rørgater til hver turbin. Det benyttes hovedsakelig Pelton turbiner, og det gjøres bruk av utløpstanker.

WO2010/111318 A1 viser et prefabrikkert rammeverk eller flytende skrog med moduler inneholdende turbiner og som kan forflyttes i sluser eller dam. Forut for verket er det svingbare porter i form av dører for regulering av vannstrøm. Videre kan det være glidedører (luker) for regulering av vannstrøm gjennom hver turbin.

US5825094 A viser et modulbasert og forflyttbart kraftverk for plassering i et overløp, der flere løpehjul er koblet til hver generator via et gir. Det beskrives en luke for avstengning av sugerøret til hvert turbinløpehjul. Videre beskrives en ventil for styring av innløpet til hver modul.

GB 177803 A viser en løsning for styring av lastvariasjoner for flere turbiner, der en gruppe turbiner leverer grunnlast mens en annen gruppe turbiner leverer topplast. Ved lastvariasjoner tilsvarende en enkelt turbin, startes/stoppes en enkelt fullast turbin.

Av annen generell bakgrunnsteknikk vises også til US6281597 B1, US2004/0222641 A1, US7372172 B2 og DE202009000184 U1.

Kraftverk basert på foreliggende oppfinnelse med standardiserte lavtrykksaggregater kan eksempelvis omfatte hovedkomponenter, med turbinmodul og sugerørsmodul, som kan bestå av masseproduserte prefabrikkerte betongelementer, og som gir begrensede entreprenørarbeider.

Hver modul kan representere et kraftverkssegment på eksempelvis 50-150 kVA, avhengig av turbinmodulens høyde, og som kan være 2 - 5 m. Regulering av kraftverket kan være basert på at hver enkelt modul er enten på (produserer strøm) eller av, avhengig av tilgjengelig vannmengde. Derved unngås kostbare løsninger som vridbare løpehjul/propellerblader og regulerbart ledeapparat. Det unngås også kavitasjon på løpehjul gjennom korrekt tilpasset løpehjulsdesign for konstant vannføring og konstant trykk.

Fordeler med foreliggende oppfinnelse er blant annet at ingeniørarbeidene representerer en engangskostnad, dvs. begrenset ingeniøraktivitet tilknyttet den enkelte leveranse. Standardisering og produksjon av komponenter for levering i store kvantiteter (masseproduksjon) gir grunnlag for store kostnadsbesparelser. Optimalisert materialvalg gir grunnlag for kostnadsbesparelser uten at det går på bekostning av krav til minimum levetid for leveransen. Enkelt vedlikehold kombinert med enkel utskifting av rimelige slitedeler gir grunnlag for kostnadsbesparelser. Prefabrikasjon av moduler for levering av komplett utrustede moduler på bil til kraftverket gir grunnlag for kostnadsbesparelser spesielt i forbindelse med montasje på anlegget. Vesentlig mindre kraftverkbygning representerer lavere kostnad, og begrensede entreprenørarbeider representerer lavere kostnad.

Regulerbar terskel og sammenstilling av flere moduler i rekke representerer en merkostnad som dog kun begrenser en ytterligere total kostnadsbesparelse. Terskel vil uansett inngå i et tradisjonelt KAPLAN aggregat. Også arrangementer for grovrist, ristrensing og fisketrapp kan inngå i enhver lavtrykksaggregatløsning for elvekraftverk.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å frembringe et nytt modulbasert kraftverk, fortrinnsvis for plassering i elver, som gir betydelig reduserte installasjonskostnader og driftskostnader, og som leverer tilnærmet like mye eller mer kraft, enn tilsvarende kjente løsninger.

Overvente formål oppnås med et lavtrykks elvekraftverk som angitt i det selvstendige krav 1, omfattende flere på rekke anordnete prefabrikkerte turbin- og sugerørsmoduler, der det oppstrøms for modulene er anordnet et antall sidestilte, hevbare og senkbare terskler innrettet til å styre vannmengde via en innløpskanal til turbin- og sugerørsmodulene, og at hver turbin- og sugerørsmodul er utstyrt for selektiv avstengning av respektiv modul.

Alternative utførelser er angitt i de uselvstendige kravene.

Et antall prefabrikkerte og innvendig åpne innløpsmoduler kan være anordnet tilstøtende en respektiv turbin- og sugerørsmodul. Videre kan innløpskanalen være anordnet mellom nevnte terskler og innløpsmodulene.

Innløpskanalen kan være utstyrt med en stengbar rist.

Hver turbin- og sugerørsmodul omfatter fortrinnsvis en turbin med løpehjul påmontert en vertikal aksling, og der akslingen er forbundet med en i toppen av modulen anordnet generator. Et gir kan være anordnet mellom akslingen og generatoren, hvor sistnevnte kan anordnes i horisontal eller vertikal posisjon.

Videre kan turbin- og sugerørsmodulen være sammensatt av en øvre turbinmodul og en nedre sugerørsmodul.

Turbin- og sugerørsmodulen kan omfatte en luke mot respektiv, tilstøtende innløpsmodul, innrettet til å avstenge eller åpne for vanngjennomstrømning, og derved kraftproduksjon.

En ledetrakt kan være anordnet om i det minste den nedre del av akslingen med løpehjulet. Alternativt kan ledetrakten strekke seg til luken.

I det minste turbin- og sugerørsmodulene kan være fremstilt av prefabrikkerte betongelementer, utstyrt som angitt ovenfor. Fortrinnsvis er også de andre modulene prefabrikkerte.

Nevnte terskel kan være utformet som en hevbar og senkbar lem, omfattende to platedeler som er leddet sammen og forankret til et underliggende fundament. Fundamentet kan videre være utstyrt med en sylinder innrettet til å heve og senke platedelene, hvilket bidrar til å heve og senke terskelen.

Kraftverket kan også omfatte et kontroll- og apparatanlegg i en stasjonsbygning og som er utstyrt for å styre og kontrollere komponentene som inngår i kraftverket. Kontroll- og apparatanlegget er fortrinnsvis innrettet til å videreformidle strøm som produseres i kraftverket, samt til å dumpe overflødig eller for mye produsert strøm.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av de vedlagte figurer, hvori:

Figur 1 viser et lavtrykks elvekraftverk i følge oppfinnelsen.

Figur 2 viser et utsnitt av terskel og innløpsrist i en øvre del av kraftverket vist i figur 1. Figur 3 viser terskelmoduler som inngår i kraftverket vist i figur 1, i forskjellige stillinger.

Figur 4-6 viser en enkelt terskelmodul i forskjellige stillinger.

Figur 7 viser turbin- og sugerørsmoduler i en nedre del av kraftverket vist i figur 1. Figur 8-9 viser nærmere en turbin- og sugerørsmodul i følge oppfinnelsen.

Som figurene viser omfatter foreliggende oppfinnelse et lavtrykks elvekraftverk 10 i form av et modulbasert system, fortrinnsvis sammensatt av prefabrikkerte sett av standardiserte moduler med lik form og størrelse. Alle eller deler av kraftverket kan være laget av slike standardiserte moduler. Kraftverket i følge oppfinnelsen kan omfatte en rekke identiske turbinmoduler og identiske sugerørsmoduler. Modulene er fortrinnsvis prefabrikkerte i betong og kan være tilsatt stoffer for å gi glattest mulig overflate mot vannveien.

Flere turbin- og sugerørsmoduler 12 plasseres fortrinnsvis i rekke tilstøtende eller i en elv. I figur 1 og 7 er det vist seks moduler som er plassert i rekke, men det kan selvfølgelig være flere eller færre moduler. Tilstøtende eller integrert med turbin- og sugerørsmodulene 12 er det plassert et antall innløpsmoduler 14 for å lede vann fra en elv 24 og inn i respektiv turbin- og sugerørsmodul 12. Oppstrøms for turbin- og sugerørsmodulene 12 kan det strekke seg en innløpskanal 16 for å lede vann til innløpsmodulene 14. Innløpsmodulene 14 kan utgå ved at innløpskanalen 16 avsluttes direkte mot turbin- og sugerørsmodulene. I innløpskanalen 16 kan det være anordnet en grovrist 20, og som kan være utstyrt med en eller flere plater (ikke vist) for å avstenge innstrømning av vann inn i innløpskanalen 16, eksempelvis i forbindelse med vedlikehold på kraftverket eller i tilfelle flom.

Videre er det oppstrøms for turbin- og sugerørsmodulene 12 anordnet en lem eller ledekant i form av et antall terskler 18 for å lede vann til turbin- og sugerørs-modulene 12, helst via innløpskanalen 16. Nevnte terskler 18 kan være anordnet sidestilt i elven 24, hvor hver terskel omfatter eksempelvis to platedeler 18a, 18b som er hevbare og senkbare, og som er montert til et fundament 18c. Som figur 2 viser kan det plasseres mange terskler sidestilt med hverandre, i det viste eksemplet åtte stykker, og disse kan da enkelt tilpasses til elvens bredde. Det er selvfølgelig tenkbart at terskelen kan lages i et stykke som dekker bortimot hele elvens bredde, men medfører da mer omfattende prosjekteringsarbeid og installasjonskostnader. Ved å prefabrikkere terskelmodulene 18 i fornuftige bredder, vil det være enkelt å sette ut et antall terskler 18 for dekke elvens bredde dersom ønskelig.

Terskelmodulene 18 kan som figur 3 viser være individuelt hevbare og senkbare slik at bare en ønsket del av elvevannet ledes inn i innløpskanalen 16. Dette kan benyttes for styring av kraftproduksjon og også til å slippe forbi vann ved stor vannstand i elven. Platedelene 18a, 18b kan være hengslet sammen, og kan ved hjelp av en sylinder 18d eller lignende beveges fra en liggende stilling som vist i figur 4 og til en hevet stilling som vist i figur 6. Platedelene kan videre dessuten være i hvilken som helst mellomliggende stilling, eksempelvis som vist i figur 5. Fundamentet 18c kan hensiktsmessig være utformet i flere tykkelser i lengderetning, slik at den første platedelen 18a hviler mot en første kant 19a, og den andre platedelen 18b kan når den er hevet hvile mot en andre kant 19b. Dette medfører at platedelene 18a, 18b bedre vil kunne motstå kreftene som virker fra det strømmende vannet i elven. Terskelmodulene kan videre styres fra et kontroll- og apparatanlegg 22 i en stasjonsbygning.

Nedstrøms for turbin- og sugerørsmodulene 12 kan det være en laksetrapp 26, men dog plassert på annen måte enn figuren viser, slik at fisk ikke trenger svømme gjennom modulene eller passere risten i innløpskanalen.

Turbin- og sugerørsmodulen 12 kan være fremtilt av en øvre turbinmodul 12a og en nedre sugerørsmodul 12b. Under montering kan sugerørsmodulen 12b plasseres først på underliggende masser hvoretter turbinmodulen 12a festes på toppen av sugerørsmodulen. Videre kan komponenter som inngår eksempelvis sammenstilles på fabrikk før levering til kraftverket. Tilsvarende kan gjelde for alle eller deler av de andre modulene som inngår i kraftverket 10.

Turbin- og sugerørsmodulen 12 er utstyrt med en turbin 30, eksempelvis en propellerturbin, og har et løpehjul 32 som kan være fremstilt av et komposittmateriale og som er påmontert en nedre del av en vertikal aksling 34 (fremstilt av kompositt og/eller rustfritt) sammen med et nedre radiallager (som også kan være kompositt slitedel). Akslingen 34 er montert vertikalt i turbinmodulen 12a og rager opp gjennom en åpning i en øvre del av turbinmodulen. Den øvre delen kan være et påskrudd betonglokk. Akslingen 34 er forankret i et øvre lager som er et aksial/radial lager. Lagerhuset til det øvre lager er forankret i et fundament på betonglokket. Videre er et gir 42 anordnet mellom akslingen 34 og en generator 40, også eksempelvis foranket på lokket. Generatoren 40 kan være anordnet horisontalt eller vertikalt, og giret vil være tilsvarende tilpasset Det er hensiktsmessig med et gir grunnet varierende turtall mellom turbinaksel og generator, men giret kan om ønskelig utelates, særlig når generatorturtall kan tilpasses samme løpehjulsturtall.

I den øvre delen av turbinmodulen kan det i tillegg til generatoren 40 være anordnet en elektromotor (ikke vist) for drift av en åpne- og lukkeluke 50 som inngår i modulens sidevegg ut mot vanninnløpsmodulene 14 i vannveien inn i modul-systemet. Luken 50 kan være utstyrt med en finrist som manuelt og enkelt kan gjøres ren og renses ved behov. Alternativt kan innløpsmodulene være utstyrt med luken 50. En ledetrakt 36 kan være anordnet mellom luken 50 og om akslingen 34 med løpehjulet 32. Alternativt kan ledetrakten strekke seg til luken.

Det kan installeres et vanntett solid deksel (ikke vist) over utstyret som er montert på betonglokket. Dekselet kan være hengslet for åpning og lukking. Dekselet bør videre være vanntett i en flomsituasjon.

Sugerørsmodulen kan omfatte innstøpt sugerørselementdel (plast eller rustfritt stål) i den øvre delen av modulen.

Hver turbinmodul er beregnet for en bestemt vannmengde / slukeevne. For 50 kVA produksjon (fra en modul) vil eksempelvis slukeevnen være 3 m3/s og trykkhøyden 2 m.

Avhengig av tilgjengelig vannmengde vil turbinmodulene være PÅ eller AV, regulert av kontroll- og apparatanlegget 22 i stasjonsbygningen. Her vil også være plassert kontrol lan legg og apparatanlegg/høyspentanlegg og transformator.

Claims (15)

1. Lavtrykks elvekraftverk (10), omfattende flere på rekke anordnete prefabrikkerte turbin- og sugerørsmoduler (12), der det oppstrøms for modulene (12) er anordnet et antall sidestilte, hevbare og senkbare terskler (18) innrettet til å styre vannmengde via en innløpskanal (16) til turbin- og sugerørsmodulene (12), og at hver turbin- og sugerørsmodul (12) er utstyrt for selektiv avstengning av respektiv modul (12).

2. Elvekraftverk i samsvar med krav 1, hvori et antall prefabrikkerte og innvendig åpne innløpsmoduler (14) er anordnet tilstøtende en respektiv turbin- og sugerørs-modul (12)

3. Elvekraftverk i samsvar med krav 2, hvori innløpskanalen (16) er anordnet mellom nevnte terskler (18) og innløpsmodulene (14).

4. Elvekraftverk i samsvar med krav 1, hvori innløpskanalen (16) er utstyrt med en stengbar rist (20).

5. Elvekraftverk i samsvar med krav 1, hvori hver turbin- og sugerørsmodul (12) omfatter en turbin (30) med løpehjul (32) påmontert en vertikal aksling (34), og der akslingen (34) er forbundet med en i toppen av modulen (12) anordnet generator (40).

6. Elvekraftverk i samsvar med krav 5, hvori et gir (42) er anordnet mellom akslingen (34) og generatoren (40).

7. Elvekraftverk i samsvar med krav 1, hvori turbin- og sugerørsmodulen (12) er sammensatt av en øvre turbinmodul (12a) og en nedre sugerørsmodul (12b).

8. Elvekraftverk i samsvar med krav 1, hvori turbin- og sugerørsmodulen (12) omfatter en luke (50), innrettet til å avstenge eller åpne for vanngjennomstrømning.

9. Elvekraftverk i samsvar med krav 5, hvori en ledetrakt (36) er anordnet om i det minst deler av akslingen (34) med løpehjulet (32).

10. Elvekraftverk i samsvar med krav 8 og 9, hvori ledetrakten (36) strekker seg til luken (50).

11. Elvekraftverk i samsvar med krav 1-10, hvori i det minste turbin- og sugerørsmodulene (12) er fremstilt av prefabrikkerte betongelementer, utstyrt som angitt i ett eller flere av kravene 1-10.

12. Elvekraftverk i samsvar med krav 1, hvori nevnte terskel (18) er utformet som en hevbar og senkbar lem, omfattende to platedeler (18a, 18b) som er leddet sammen og forankret til et underliggende fundament (18c).

13. Elvekraftverk i samsvar med krav 12, hvori fundamentet (18c) er utstyrt med en sylinder (18d) innrettet til å heve og senke platedelene (18a, 18b).

14. Elvekraftverk i samsvar med krav 1-13, hvori kraftverket omfatter et kontroll-og apparatanlegg (22) utstyrt for å styre og kontrollere komponentene angitt i ett eller flere av kravene 1-13.

15. Elvekraftverk i samsvar med krav 14, hvori kontroll- og apparatanlegget (22) er innrettet til å videreformidle strøm som produseres i kraftverket (10), samt til å dumpe overflødig eller for mye produsert strøm.