KHPS Kinetic Hydropower System

Het bedrijf Canadese Verdant Power ontwikkelde in 2002 een axiale stromingsturbine die kinetische energie van het water omzet in elektrische energie. Het systeem wordt ondergedompeld in de stroming van (getijden)rivieren of nearshore gebieden. De machine is ondertussen klaar voor commerciële toepassingen.

4.3.1 Werkingsprincipe

De KHPS is een axiale stromingsturbine met een diameter van 5 m. De rotor bestaat uit 3 bladen en genereert een vermogen van 35 kW. De rotorbladen zijn ontworpen door New York University en beschikken over een hoog hydrodynamisch rendement over een breed snelheidsbereik.

De rotor van de turbine drijft via een versnellingskast een drie-fasige inductiegenerator aan die op zijn beurt met het net is aangesloten. De versnellingsbak en generator bevinden zich in een waterdichte, gestroomlijnde gondel voor de rotor (zie figuur 4.2). De gondel is gemonteerd op een pyloon. Deze pyloon heeft de vorm van een laminair vleugelprofiel om de stromingslijnen voor de rotor zo min mogelijk te verstoren.

De pyloon is via lagering verbonden met een paal die op zijn beurt verbonden is met de bodem. De turbine richt zich zo volgens de stromingsrichting (eb of vloed).

Figuur 4.2: voorstelling van de KHPS-turbine. Links: KHPS-turbine in werking; rechts: Specificaties van de turbine [1].

4.3.2 Toepassingen

Volgens Verdant Power is de turbine economisch rendabel bij gemiddelde stroomsnelheden vanaf 2 m/s. De vereiste waterdiepte is uiteraard minimaal 9 m gezien de grootte van de rotor (zonder rekening te houden met externe factoren zoals scheepvaart). De turbine kan dus net zoals de Tocardo turbine geplaatst worden in (getijden)rivieren, getijdenestuaria of nearshore toepassingen. Verdant Power ontwikkelt nu ook modellen met grotere en kleinere diameters.

Machines toepasbaar voor kleinschalige waterkracht 9V3951A0/R0001/BJON/SSOM/Rott

Eindrapport - 32 - 8 september 2009

Het systeem is echter wel gevoelig aan drijvend of zwevend afval. Scheepvaart en de grote diameter van de turbinerotor kunnen toepassingen in rivieren beperken.

4.3.3 Leverancier

Een prototype werd in 2003 getest in de East River te New York. Het systeem genereerde 15,5 kW bij een gemiddelde stromingssnelheid van 2,13 m/s. Het systeem heeft dus een hoge vermogencoëfficiënt (Cp is 43 %).

Ondertussen installeerde Verdant Power in de zomer van 2006 zes pre-commerciële modellen met een diameter van 5 m in de New Yorkse rivier [1, 2]. Elk model produceerde een piekvermogen van 35,9 kW. Dit was goed voor een totale nominale capaciteit van 150 – 200 kW. Parallel aan deze testfase werd ook een onderzoek uitgevoerd naar het effect op de vismigratie.

Economische cijfers en extra informatie m.b.t. de studies zijn nog niet verkregen hoewel er contact gezocht is met het bedrijf.

4.3.4 Referenties

1. Verdant Power: Internet: http://www.verdantpower.com/.

2. Navy Pudget Sound – KHPS: Internet: http://www.nps-khps.net/.

4.4 Stromingswielen

Stromingswielen zijn, zoals vermeld in hoofdstuk 2, impulswielen die geclassificeerd kunnen worden als onderslaande waterraderen. De systemen worden beschouwd als economisch inefficiënt hoewel nauwelijks civiele constructies vereist zijn om de werking te garanderen. Het probleem schuilt vaak in de lage rendementen in combinatie met de relatief lage capaciteit waar dergelijke raderen mee te maken hebben [1].

Toch zijn dergelijke wielen de enige machine die kinetische energie uit een ondiepe waterstroom kunnen benutten. Bovendien verstoort de inzet van een dergelijke machine nauwelijks de stroming van de rivier.

In theorie kunnen drie types stromingswielen onderscheiden worden afhankelijk van de snelheid van de waterstroom v, de werkelijke diepte van de waterloop h en de ondergedompelde diepte van het blad d [2]:

Ondiep water in subkritische stroming (d h, v < vkr)

Ondiep water in superkritische stroming (d h, v > vkr)

Diep water (d << h, v < vkr)

Superkritische stroming is een stroming waarbij de stromingssnelheid v groter is dan de golfvoortplantingssnelheid in ondiep water met een diepte h. Dergelijke stroming komt bijna nooit voor in natuurlijke rivieren. Alleen in stuwen treedt dit op. Een dergelijke machine in zo’n stroom plaatsen geeft grote bewaren (de machine moet wijken bij het strijken van de stuw).

In dit hoofdstuk wordt daarom enkel ingegaan op machines voor ondiep water met subkritische stroming en machines voor diep water.

4.4.1 Stromingswielen voor ondiep water bij subkritische stroming

Het wiel draait om een horizontale as. De rotorbladen zijn eenvoudig van vorm en meestal recht. Deze worden onderaan het wiel ondergedompeld en benutten de kinetische energie van het water (zie figuur 4.3). Civiele werken zijn nauwelijks nodig om het wiel operationeel te maken. Strikt genomen dient enkel de as langs beide zijden gelagerd te worden om optimale werking te garanderen. Een liftsysteem kan gebruikt worden om de hoogte te regelen naargelang het peil van het water.

Het systeem haalt een maximale vermogenscoëfficiënt van Cp = 29,6%. De diameter van dergelijke wielen varieert tussen de 3,5 en 5 m. Het blad heeft een hoogte die varieert van 15 tot 20% van de diameter van het rad. Het aantal bladen op een rad is zo ontworpen dat steeds minstens een blad volledig ondergedompeld is. Het blad is licht gekromd om zo de verliezen bij intrede en uittrede te minimaliseren. De vermogensoutput is meestal lager dan 2 kW. Een 1 m diepe rivier die stroomt met een snelheid van 1,5 m/s produceert slechts 0,5 kW per meter breedte.

Machines toepasbaar voor kleinschalige waterkracht 9V3951A0/R0001/BJON/SSOM/Rott

Eindrapport - 34 - 8 september 2009

Figuur 4.3: Schematische voorstelling van een stromingsrad voor ondiep water bij subkritische stroming [2].

4.4.2 Stromingswielen voor diep water

Recent werd er aan de universiteit van Southampton onderzoek gedaan naar stromingsraderen die inzetbaar zijn in rivieren met sterke stroming of getijdenstromingen [2]. In deze gevallen is de diepte h van het water veel groter is dan de ondergedompelde diepte van het blad d.

Figuur 4.4: schematische voorstelling van blad.

Aan de tip van het blad ontstaat - t.g.v. snelheidsdaling van het water door energie- uitwisseling - een wervel. Deze wervel zorgt voor een daling van het waterpeil net na het blad (zie figuur 4.4). Het drukverschil over het blad zorgt voor een extra hydrostatische kracht in de rotatiezin. Hierdoor wordt de Betz-limiet deels ontweken en neemt het rendement van dergelijke wielen toe t.o.v. van stromingswielen in ondiep water. Indien continu 2,5 tot 3 bladen ondergedompeld zijn, kan de vermogenscoëfficiënt Cp geschat worden op 56 – 68% [2].

De vermogenopbrengst van dergelijke wielen kan 100 tot 1000 kW bedragen. Een wiel met een diameter van 10 m genereert bij een snelheid van 2,5 m/s 96 kW per meter breedte. Hierbij zijn de bladen 1 m diep ondergedompeld.

4.4.3 Referenties

1. Jones Z., Domestic electricity generation using waterwheels on moored

barge. Dissertation, Heriot-Watt University, School of the Built

Environment, 2005.

2. Senior J., Wiemann P., Müller G., The Rotary Hydraulic Pressure

Machine for very low head hydropower sites. University of Southampton,

Civil Engineering Department, UK.

Machines toepasbaar voor kleinschalige waterkracht 9V3951A0/R0001/BJON/SSOM/Rott

Eindrapport - 36 - 8 september 2009