bélyegkép|A fordított arkhimédészi csavar elve: a lefelé áramló víz forgatja a rotort, ezzel energiát termelve. bélyegkép|A csavarturbina rotorja általában három vagy négy menettel rendelkezik (alsó sor). bélyegkép|Két párhuzamosan telepített csigaturbina, amelyek egyenként 75 kW teljesítményre képesek (Monmouth, Wales). bélyegkép|Videófelvétel egy 40 kW-os csigaturbina működéséről (München, Németország). bélyegkép|Az arkhimédészi csavar alapvető tervezési paraméterei, amelyek a szivattyúként és turbinaként való alkalmazás során is meghatározóak. A csigaturbina (ismert még Arkhimédész-turbina, Arkhimédész-csavar generátor vagy AST néven is) olyan vízturbina, amely a fordított Arkhimédészi csavar elvét hasznosítja áramtermelésre. A lefelé áramló víz helyzeti energiáját alakítja át mechanikai munkává, ami meghajt egy generátort. Ez a technológia a vízikerekekhez hasonlóan a víz súlyát és a hidrosztatikai nyomást hasznosítja, ezért kvázi statikus nyomású gépnek tekinthető. Különösen alkalmas alacsony esésmagasságú (0,1 m-től 10 m-ig) és mérsékelt vagy erősen ingadozó vízhozamú (0,01 m³/s-tól kb. 15 m³/s-ig) vízfolyások energiájának hasznosítására, ahol a hagyományos turbina nem működik gazdaságosan. A csigaturbina hossza – a telepítési hely adottságaitól függően – 1 és 30 méter között változhat.

Működési elve A csigaturbina egy nagyméretű, Arkhimédész-csavar alakú rotorból áll, amely egy félköríves, szorosan illeszkedő teknőben forog. A víz a felső szinten lép be a turbinába, ahol a csavar menetei által alkotott kamrákat vagy medencéket fokozatosan feltölti. A víz súlya nyomatékot gyakorol a csavar ferde felületeire, ami a rotort forgásba hozza. Miközben a víz a csavar mentén lefelé halad, folyamatosan energiát ad át a rendszernek, végül az alsó szinten szabadon távozik a mederbe. A rotor felső tengelye egy áttételt (sebességváltót) tartalmazó hajtóművön keresztül csatlakozik egy elektromos generátorhoz, amely a forgási energiát villamos energiává alakítja. Az arkhimédészi csavar elviekben egy megfordítható hidraulikus gép, így léteznek olyan egyedi telepítések, ahol ugyanazt a csavart az aktuális igényeknek megfelelően felváltva használják vízszivattyúként és áramtermelő turbinaként. Története Bár a technológia modernnek tűnik, alapelve az ókorig nyúlik vissza. Az arkhimédészi csavart a szirakuszai Arkhimédésznek (i. e. 287–212) tulajdonítják, aki a szerkezetet vízkiemelésre, elsősorban öntözési célokra fejlesztette ki. Az ötlet, hogy a csavart fordítva, energiatermelésre is lehetne használni, jóval később merült fel: 1819-ben Henri Navier francia mérnök (1785–1836) vetette fel a gondolatot. Az első szabadalmat 1916-ban William Moerscher jegyeztette be az Amerikai Egyesült Államokban. A technológia széleskörű elterjedésére azonban a 20. század végéig kellett várni, amikor a megújuló energiák és a környezetbarát technológiák iránti igény előtérbe került.

Alkalmazási területei és előnyei A csigaturbinát kifejezetten alacsony esésű (jellemzően 1–5 méter) és viszonylag kis (turbinánként kb. 0,01 m³/s – 15 m³/s) vízhozamú folyószakaszokon alkalmazzák, ahol a hagyományos Kaplan-, Francis- vagy Pelton-turbina alkalmazása nem lenne gazdaságos. Ideális megoldást nyújt duzzasztóművek, régi malomgátak, vízlépcsők és szennyvíztisztító telepek kifolyóinak energetikai hasznosítására.

Környezet- és természetvédelem A csigaturbina egyik legfontosabb előnye a rendkívül környezetbarát működése. A turbina lassú forgási sebessége és a lapátok közötti tágas terek lehetővé teszik, hogy a halak és más vízi élőlények sérülés nélkül áthaladjanak rajta. Emiatt gyakran „halbarát” technológiaként említik. A halak túlélési aránya a vizsgálatok szerint meghaladja a 97%-ot, ami kiemelkedő a vízerőművek világában. A lassú forgás emellett minimális zajterheléssel jár, és nem okoz hirtelen nyomásváltozásokat a vízben, ami szintén kedvező az élővilág számára. A technológia lehetővé teszi a kötelező ökológiai vízmennyiség energetikai hasznosítását is anélkül, hogy a folyó ökoszisztémája károsodna. Műszaki és gazdasági előnyök

Széles terhelési tartományban magas hatásfok: a csigaturbina hatásfoka részleges terhelés mellett is magas, ami különösen előnyös az ingadozó vízjárású folyókon. Robusztus és megbízható működés: egyszerű felépítésének köszönhetően a turbina jól tűri a hordalékot, az uszadékot és a szennyeződéseket, így karbantartási igénye alacsony. Alacsonyabb építési költségek: gyakran minimális átalakítással telepíthető meglévő duzzasztóművek mellé, ami jelentősen csökkenti a beruházási költségeket. Hosszú élettartam: a lassú mozgás és az egyszerű mechanika miatt az alkatrészek kopása csekély, ami hosszú, akár 30–40 éves élettartamot biztosít.

Felépítése és tervezése A csigaturbinás vízerőmű három fő részegységből áll: a duzzasztóműből (gátból), a vizet a turbinához vezető befolyócsőből és magából a csigaturbinából. A rendszer elengedhetetlen része a vezérlőzsilip és a befolyónál elhelyezett uszadékfogó rács. A vízhozamot általában megosztják a turbina és a duzzasztómű között, hiszen a gát mellett biztosítani kell egy minimális biológiai vízhozamot (pl. hallépcsőn keresztül). A csigaturbina méretezése és a várható teljesítmény becslése kulcsfontosságú a tervezési fázisban. A turbina által termelt energia arányos a rajta áthaladó víz mennyiségével, ami a vízoszlop magasságától, a rotor átmérőjétől és a forgási sebességétől függ. A teljes vízhozam () becslésére különböző forgási sebességek () és belépő vízszintek mellett a következő empirikus egyenlet használható: , ahol , és a csiga geometriai tulajdonságaitól függő, kísérletileg meghatározott állandó. A tervezés során a fő cél a rotor külső átmérőjének () meghatározása a rendelkezésre álló vízhozam () és a tervezett forgási sebesség () alapján. Erre a következő egyenlet szolgál: Az együttható értéke a csavar geometriai arányaiból (pl. a menetemelkedés és az átmérő arányából) származtatható, diagramok segítségével. Miután az átmérőt meghatározták, a csavar többi paramétere (hossz, menetemelkedés, dőlésszög) már egyszerű lépésekben kiszámítható.

Működő erőművek Magyarország Magyarország első és egyetlen csigaturbinás vízerőműve a Rábán üzemelő szentgotthárdi vízerőmű. A 2017-ben üzembe helyezett létesítmény két, egyenként 250 kW teljesítményű csigaturbinával rendelkezik, amelyek a kaszagyári régi duzzasztómű energetikai hasznosítását teszik lehetővé.

Egyesült Királyság Az Egyesült Királyságban a technológia különösen népszerű a történelmi duzzasztók és malomgátak hasznosítására.

Romney, Berkshire – 270 kW, a Windsori kastély energiaellátásának része (2013). Totnes, Devon – 320 kW (2015). Mapledurham, Temze – 99 kW, az Egyesült Királyság legnagyobb egycsavaros turbinája (8 m³/s vízhozammal). Cragside, Northumberland – 12 kW, egy modern turbina demonstrációs célú telepítése a vízienergia hasznosításának szülőhelyén. Bealey-gát, Radcliffe – 100 kW (2012).

Egyesült Államok

Hanover-tó, Meriden, Connecticut – 105 kW (évi 920 000 kWh), az első csigaturbinás erőmű az országban, 2017 áprilisában helyezték üzembe.

Kanada Az első kanadai csigaturbinát 2013-ban telepítették az ontariói Waterford közelében. Jegyzetek

Fordítás

Kategória:Vízerőművek Kategória:Vízturbinák Kategória:Megújuló energiaforrások