|
|
 |
|
|
|
Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika
|
|
|
|
|
|
|
Wykorzystanie energii płynącej wody bez budowania spiętrzeń budziło zainteresowanie już od dawna. W ostatnim latach zaprojektowano i opatentowano urządzenie przetwarzające energię płynącej wody na energię mechaniczną lub elektryczną, które zostało nazwane turbiną ślimakową. Podstawową zaletą urządzeń wykorzystujących przepływ wody są stosunkowo niewielkie nakłady finansowe oraz minimalna ingerencja w środowisko. Do współpracy z tymi turbinami zaprojektowano i wykonano prototypy prądnic synchronicznych o niskiej znamionowej prędkości obrotowej.
Energia płynącej wody
Energia wody płynącej jest równa energii kinetycznej:
Obliczona ze wzoru (4) moc jest tylko teoretyczna, praktycznie dostępna moc wynika ze stopnia utraty prędkości wody przed oraz za turbiną i wartość jej jest znacznie mniejsza.
Zasoby energii płynącej wody są ogromne, jednak energia ta jest rozproszona i nie jest możliwe uzyskiwanie znacznych ilości energii z pojedynczych urządzeń bowiem, jak wynika
ze wzoru (3) moc hydrauliczna płynącej wody zależy od powierzchni obszaru, przez który przepływa woda, a wielkość ta jest ograniczona względami technicznymi, głębokością rzeki
itp., ponadto zależy ona od trzeciej potęgi prędkości płynącej wody, a wiadome jest, że w większości rzek prędkość ta nie jest zbyt duża i wynosi zwykle 1 – 2 m/s.
Podstawową zaletą urządzeń wykorzystujących przepływ wody jest minimalna ingerencja w środowisko – nie jest konieczne budowanie kosztownych zapór – oraz stosunkowo niewielkie nakłady finansowe.
Przykłady konstrukcji elektrowni przepływowych
Wykorzystanie energii płynącej wody budziło zainteresowanie już od dawna. przykładem mogą być koła wodne stosowane do nawadniania pól. Do czasów dzisiejszych
zachowały się takie budowle, zbudowane w okresie średniowiecza w syryjskim mieście Hama, urządzenia te o średnicy dochodzącej do 20 m czerpały kiedyś wodę z rzeki i systemem kanałów nawadniających rozprowadzały ją po dolinie.
Pływająca elektrownia z kołem wodnym
W Japonii zbudowano elektrownię wykorzystując koło wodne zainstalowane na pływakach – konstrukcja przypomina tzw. rower wodny. Koło wodne ma mniejszą sprawność niż turbiny jest jednak mniej wrażliwe na zanieczyszczenia płynące w wodzie oraz jest proste w budowie. Elektrownia taka jest praktycznie niewrażliwa na zmiany poziomu wody, nie ingeruje w bieg rzeki i migracje ryb.
Elektrownia firmy Ampair
Angielska firma Ampair produkuje elektrownie o innej konstrukcji, ale do stosowania których też nie jest konieczne spiętrzenie wody. Można je montować pod różnego rodzaju kładkami, mostami czy platformami.
Całkowicie zanurzalny w wodzie hydrozespół składający się z turbiny wodnej, podobnej do śruby okrętowej połączonej z prądnicą jest przewidywany do stosowania w szybko płynących ciekach wodnych.
Średnica śmigła wynosi 312 mm, uzyskiwana moc 100 W przy prędkości wody 4 m/s. Masa urządzenia wynosi 10 kg.
Elektrownia ze spiralną turbiną Gorlova
Konstrukcja turbiny wodnej Gorlova podobna jest do konstrukcji turbiny wiatrowej Savoniusa. Z turbiny tej poprzez przekładnie klinową napędzana jest prądnica. Wadą tego
typu rozwiązania jest to, że zastosowanie jest możliwe tylko na ciekach o dość dużej głębokości.
Model takiej elektrowni zbudowano na rzece Merrimack (Massachusetts. USA) oraz w Korei Południowej.
Koncepcja turbiny ślimakowej
W roku 2006 opatentowano urządzenie przetwarzające energię płynącej wody na energię mechaniczną lub elektryczną. Urządzenie to zostało nazwane turbiną ślimakową.
Cechy konstrukcyjne pozwalają na korzystanie z turbiny w ciekach wodnych stosunkowo płytkich bez stosowania kosztownych spiętrzeń, moment obrotowy jest przenoszony do odbiornika (prądnicy) za pomocą specjalnego wału. Prądnica może być zainstalowana na pomoście, brzegu akwenu lub na zakotwiczonym urządzeniu pływającym.
Obliczenia energetyczne i ekonomiczne turbiny ślimakowej
Moc hydrauliczną Ph strumienia cieczy obliczono według wzoru (4). Sprawność turbiny ηt (iloraz mocy wydawanej na wale turbiny P1 do mocy hydraulicznej strumienia Ph) wynosi:
W tabeli 1 przedstawiono obliczenia dla następujących założeń: sprawność turbiny ηt = 0,6, sprawność prądnicy ηe = 0,8, sprawność hydrozespołu ηh = ηe • ηt = 0,48, Suma uzyskanych przychodów za wyprodukowaną energię elektryczną rocznie (turbina pracuje przez 8 miesięcy – 5800 h) Sp/rok. Obliczenia wykonano dla czterech średnic turbin 0,3; 0,5;
1,0 i 1,5 m oraz dla prędkości wody od 1 do 3 m/s. P – moc uzyskiwana z hydrozespołu.
Wykonane obliczenia wskazują, że inwestycja może być opłacalna w przypadku instalacji większej liczby hydrozespołów, np. 10. Przy czym jeśli prędkość wody jest większa
niż 3 m/s średnica turbiny może wynosić 0,3 m, dla średnicy 1,5 m wystarczy prędkość wody 2 m/s.
Stosunkowo niewielka gęstość mocy płynącej wody oraz ograniczenia wynikające z głębokości powodują, że celowe będzie stosowanie wielu hydrozespołów pracujących na
wspólny odbiornik.
Przewiduje się, że w systemach tych stosowane będą prądnice synchroniczne. Hydrozespoły pracujące w różnych miejscach cieku będą miały różne prędkości obrotowe,
a wytwarzane napięcie będzie miało różną częstotliwość.
Bezpośrednia praca równoległa prądnic przy takich warunkach będzie niemożliwa. Należy każdą prądnicę wyposażyć w prostownik i pracę równoległą realizować po stronie
prądu stałego.
Badania wykonanych modeli
Omawiana turbina ślimakowa jest rozwiązaniem nowym. Nie były znane jej własności, np. zależność mocy od długości turbiny, zależność prędkości obrotowej od prędkości przepływającej wody, zależność parametrów turbiny od skoku ślimaka.
Dlatego wykonany został wstępny model turbiny. Badanie takiego modelu pozwoliło na ukierunkowanie dalszych prac projektowych.
Wykonany został model turbiny o średnicy 300 mm i składający się z pięciu odcinków o długości 2 m, które można ze sobą łączyć uzyskując turbiny o długości od 2 do 10 m.
Model ten, oznaczony w artykule jako T0 został przebadany wstępnie na cieku naturalnym – rzece Wolbórce w Wolbórzu. Turbina ta napędzała poprzez przekładnie pasową prądnicę
synchroniczną. W trakcie prób moc turbina uzyskiwała moc około 20 W przy prędkości obrotowej 50 obr/min. Prędkość wody w rzece wynosiła 0,9 m/s.
Następnie turbina ta została przebadana przez Centrum Techniki Okrętowej S.A. – Ośrodek Hydromechaniki Okrętu w Gdańsku.
Badania polegały na wyznaczeniu charakterystyk hydrodynamicznych turbin ślimakowych – mocy oraz momentu obrotowego w funkcji prędkości przepływu wody.
Wielkościami mierzonymi bezpośrednio były: prędkość obrotowa wału oraz moment obrotowy, moc określano na podstawie iloczynu prędkości obrotowej i momentu (jest to zatem moc netto turbiny) bez uwzględnienia sprawności układu przeniesienia napędu. Wyniki pomiarów dla trzech długości turbiny (2, 4 i 6 m) przedstawiono na rysunku 2.
Wyniki badań laboratoryjnych wskazują, że dla prędkości wody większej od 2 m/s i długości turbiny 4 – 6 m uzyskiwane moce wynoszą około 150 W.
Opierając się na wynikach badań modelu turbiny zaprojektowano i wykonano prototypy turbin ślimakowych o średnicy 500 mm.
Wykonano trzy rodzaje turbin różniące się skokiem ślimaka:
• trzy zwoje na długości 1 m (T3);
• dwa zwoje na długości 1 m (T2);
• jeden zwój na długości 1 m (T1).
Turbiny te były także przebadane w laboratorium CTO. Na rysunku 4 przestawiono zależność mocy tych turbin od prędkości wody.
Otrzymane wyniki wskazują. że najlepszym rozwiązaniem z rozpatrywanych jest turbina 2 o dwóch zwojach na długości 1 m (T2). Uzyskiwana moc przy danej prędkości wody jest wówczas największa.
Prądnice współpracujące z turbinami ślimakowymi
Turbiny ślimakowe mają stosunkowo niewielka prędkość obrotową. Przetworniki energii mechanicznej na elektryczną, czyli różnego typu prądnice mają zwykle znaczną prędkość obrotową, co wymuszałoby stosowanie podwyższających przekładni mechanicznych. Przekładnie te powodują straty, hałas i zmniejszają niezawodność konstrukcji. Sposobem na wyeliminowanie tych niedogodności jest instalowanie w takich
systemach prądnic o niewielkiej znamionowej prędkości obrotowej.
Do współpracy z małymi turbinami wodnymi najlepszym rozwiązaniem wydają się prądnice synchroniczne wzbudzane magnesami trwałymi. Brak uzwojenia w wirniku i elementów elektronicznych wirujących powodują, że prądnice te cechują się wysoką niezawodnością. Również sprawność jest wyższa, a wymiary maszyny są mniejsze w porównaniu z rozwiązaniami klasycznymi.
Przy projektowaniu elektrowni należy rozważyć możliwość następujących rodzajów pracy:
• obciążenie rezystancyjne – grzanie wody lub powietrza;
• obciążenie poprzez prostownik: ładowanie akumulatorów lub zasilanie odbiorów rezystancyjnych jednofazowych;
• praca na odbiory wymagające stałej częstotliwości
50 Hz.
Z punktu widzenia użytkownika elektrownia taka powinna być tania, bezpieczna w eksploatacji, łatwa do montażu, obsługi i konserwacji.
Zaprojektowanie i wykonanie prądnicy
W Instytucie Elektrotechniki w Warszawie zaprojektowano, wykonano i przebadano prototypy serii prądnic synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi o mocy od 0,2 kW do 1 kW przy napięciu 52 V i znamionowej prędkości obrotowej równej 100 obr/min.
Przyjęto, że liczba biegunów będzie równa 24, częstotliwość napięcia wyjściowego przy prędkości obrotowej 100 obr/min będzie wynosić 20 Hz. Bezpośrednio prądnica ta
będzie mogła pracować jedynie na odbiory rezystancyjne, natomiast w przypadku pracy na ładowanie baterii akumulatorów lub na odbiory wymagające napięcia 230 V przy 50
Hz konieczne będzie stosowanie elektronicznego układu pośredniczącego.
W pierwszym etapie projektu wykonano prototypy prądnic o mocy 1 kW, które oznaczono typem GM 180-24M. Na rysunku 5 przestawiono taką prądnicę.
Wyniki badań prądnicy
W laboratorium Zakładu Maszyn Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki wykonano badania pełne tych prądnic.
Prądnica napędzana była poprzez wałek skrętny silnikiem indukcyjnym zasilanym z falownika. Obciążeniem był regulowany układ rezystorów.
Wyznaczony w stanie statycznym moment zaczepowy
(początkowy) wynosił 2,1 Nm.
Masa prądnicy wynosi 50 kg.
Charakterystykę napięcia biegu jałowego w funkcji prędkości obrotowej przedstawiono na rysunku 6. Ze względu na zależność parametrów magnesów od temperatury
próby wykonano dla stanu zimnego i stanu nagrzanego prądnicy.
Pomiary wykazały jednak, że zastosowane magnesy wykazują stosunkowo słabą zależność od temperatury: napięcia przewodowe prądnicy w stanie zimnym i w stanie nagrzanym różnią się tylko o ok. 2 V.
Na rysunku 7 przedstawiono oscylogramy napięcia przewodowego oraz fazowego przy biegu jałowym prądnicy i prędkości obrotowej 100 obr/min. Napięcie przewodowe ma przebieg praktycznie sinusoidalny, zawartość wyższych harmonicznych jest niewielka. Efekt ten osiągnięto poprzez zastosowanie odpowiednich zabiegów konstrukcyjnych.
Próby nagrzewania prądnicy przeprowadzono przy obciążeniu rezystancyjnym utrzymując stałą prędkość obrotową. Próby te wykonano dla następujących częstotliwości
napięcia wyjściowego: 20, 30, 40 i 50 Hz. Wartość mocy dobierano tak, aby prąd fazowy był zbliżony do wartości obliczonej w projekcie, przy czym przyjmowano, że moc powinna wynosić pełne setki watów. Moc obciążenia dla poszczególnych prędkości obrotowych wynosiła 800, 1000, 1600, 2200 i 2800 W.
Ustalone przyrosty temperatury uzwojenia stojana były stosunkowo niskie i nie przekraczały 45 K. Istnieje pewna rezerwa cieplna i prądnica ta może pracować przy obciążeniach większych niż przyjęto w projekcie. W tabeli 2 przedstawiono zestawienie ustalonych parametrów prądnicy odczytanych po próbach nagrzewania.
Próby obciążenia przeprowadzono bezpośrednio po próbach nagrzewania – w stanie nagrzanym prądnicy. Na rysunku 8 zestawiono charakterystyki U = f(I) przy różnych prędkościach obrotowych prądnicy
Spadki napięcia wyjściowego prądnicy przy obciążeniu prądem 11,5 A wynoszą od 16,6 % przy 20 Hz do 8 % przy 50 Hz. Nachylenie charakterystyk obciążeniowych jest zbliżone przy różnych prędkościach obrotowych prądnicy.
Wnioski
• Gęstość energii wody płynącej jest stosunkowo niewielka, pojedyncze hydrozespoły będą miały małą moc. Możliwe jest jednak tworzenie systemów hydrozespołów składających
się z wielu turbin.
• Wyniki badań prototypów turbin wskazują, że ich instalacja może być opłacalna na rzekach o prędkości wody większej od 2 m/s. Średnica turbin powinna być możliwie duża
– większa od 0,5 m.
• Wyniki przeprowadzonych badań wykazują. że wykonany prototyp prądnicy typu GM 180-24M charakteryzuje się bardzo dobrymi własnościami eksploatacyjnymi i może ona być stosowana w odnawialnych źródłach energii.
• Istnieje możliwość pracy prądnicy przy prędkościach obrotowych znacznie wyższych niż przyjęto w projekcie uzyskując odpowiednio zwiększone moce.
Praca wykonana w ramach projektu rozwojowego NR01- 0006-04/2008 „Nowatorska elektrownia rzeczna o małych nakładach inwestycyjnych z turbiną ślimakową”.
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
