MIKROZDROJ ELEKTRICKEJ ENERGIE S MIKROTURBÍNOU CROSS FLOW 200 Jozef PUSKAJLER - Jozef ŠURIANSKY - Jozef ŠURIANSKY ml. Katedra Informatiky a automatizačnej techniky,fakulta environmentálnej a výrobnej techniky,technická univerzita Zvolen,T.G. Masaryka 24, 960 53 Zvolen ABSTRACT In this article working area optimalization of Cross flow turbine. Key words: small water eletric generating station, Cross flow turbine, ÚVOD Cross flow turbína je vhodná pre malé vodné toky tam, kde by iný vodný stroj (s plným obstrekom) vychádzal malý a chúlostivý. Turbína je však vhodná len vtedy, ak je jej priemer minimálne 5x až 10x menší, ako spád "H". Je ideálnym vodným strojom na lokalitách, kde bolo v minulosti inštalované koleso na hornú vodu a niekedy aj tam, kde bola inštalovaná Francisova turbína. Charakteristika Cross flow turbíny je plochá a vykazuje dobrú účinnosť v rozsahu od 30 do 100% plnenia. Zmena zaťaženia turbíny má malý vplyv na prietok vody. Z ekologického hľadiska je veľmi výhodná, pretože ložiská sú umiestnené mimo vody a tento typ turbíny je možné používať i v zdrojoch pitnej vody bez nebezpečenstva jej znečistenia. Medzi hlavné nevýhody uvedenej turbíny pri použití na nízkych spádoch sú nízke otáčky, ktoré potom komplikujú použitie vhodného generátora elektrickej energie. Použitie synchrónnych alebo asynchrónnych generátorov je možné len s použitím mechanických prevodov, kde dochádza k stratám okolo 15%. Riešením uvedeného problému je použitie pomalobežného generátora s permanentnými magnetmi, ktorý je možné pomocou spojky mechanicky priamo spojiť s hriadeľom turbíny. Tým vylúčime straty v prevodoch. Vhodným typom sú generátory firmy Ginlong Čína, pôvodne určené pre malé veterné elektrárne. Vyrábajú sa s výkonom od 500W do 5 kw s maximálnymi prevádzkovými otáčkami 600ot/min. Vzhľadom k tomu, že sme chceli vykonať merania pri nízkych spádoch, kedy sa objavuje problém s účinnosťou tlakových strojov bola pre turbínu CrossFlow 200 vypočítaná hltnosť a z toho vyplývajúci výkon. Preto bol použitý generátor typu GL-PMG1500 s elektrickým výkonom 1500W. Tento typ bol zvolený jednak pre rezervu vo výkone a jednak preto, že poskytuje na výstupe bezpečné napätie, čím sa obmedzí riziko úrazu elektrickým prúdom. Toto napätie je možné v prípade potreby pomocou statického polovodičového meniča upraviť na sieťové napätie. Merania boli vykonané na pôvodnej konštrukcii Cross flow turbíne, ktorá bola skonštruovaná na základe štandardných výpočtov. V technológii výroby boli použité postupy, ako rezanie vodným lúčom, ktoré umožňuje zabezpečiť precíznu výrobu obežného kolesa a tým minimalizovať hydraulické straty. Mikroturbína CrossFlow 200 typovo patrí medzi priečne dvojnásobne pretekané turbíny s parciálnym ostrekom.na prvom dostredivom prietoku pracuje pretlakovo, alebo medzne, druhý odstredivý prietok je len rovnotlaký. Účinnosť turbíny sa pohybuje od 78 do 84 %. Popis fyzikálneho modelu Turbína CrossFlow 200 je navrhnutá ako mikrozdroj mechanickej energie s výkonom do 15 kw v závislosti na podmienkach aplikácie.voda je privádzaná k turbíne potrubím kruhového prierezu s priemerom 0,2 metra.. Pred turbínou je umiestnený medzikus, ktorý mení kruhový prierez na obdĺžnikový. Regulačným orgánom turbíny je klapka, ovládaná pomocou servopohonu Belimo. V štrbine medzi zakrivenou stenou a klapkou sa celý spád vody pretransformuje na pohybovú energiu. Pri prvom prietoku lopatkami sa turbíne odovzdáva asi 79% z celkového výkonu. Pri druhom prietoku voda odovzdáva lopatkám ďalšiu časť svojej energie, odpovedajúcu 21% z celkového výkonu turbíny. Po opustení lopatkového venca voľne vyteká pod obežné koleso. Ako generátor elektrickej energie sme použili nízkonapäťový generátor GL- PMG 1500, dodávajúci trojfázové elektrické napätie 191
s maximálnou hodnotou 80 V. Pri prevádzkových otáčkach však napätie neprekročí hodnotu bezpečného napätia. Výstupné vinutie generátora je zapojené do hviezdy. Generátor je veľmi kvalitnej konštrukcie s povrchovou úpravou vhodnou do náročných klimatických podmienok. Celková váha generátora je 15.7 kg. Obr. 1. Turbína CrossFlow 200 s generátorom Obr 2. Schematický nákres turbíny CrossFlow 200 PMG 1500 Parametre generátora GL-PMG 1500 udávané výrobcom sú nasledovné: Výkonová charakteristika Vonkajšie rozmery Výstupné napätie Vnútorné rozmery 192
TEORETICKÝ ROZBOR Turbína Cross flow bola umiestnená na vodnom toku v lokalite s nasledovnými parametrami: spád 2m maximálny prietok vody 45,8 l/s Použité vzťahy pre výpočet výkonu: P= k*h*q [W] Kde k je konštanta v rozsahu 5 7, H je spád v [m] Q je prietok vody v [l/s] Parametre turbíny Cross Flow 200: Priemer obežného kolesa 0.2 metra Škrtiaci otvor 20.6 x 4.8 cm Účinnosť turbíny 0.7 Účinnosť generátora 0.9 Konštanta k =6,3 Odporová záťaž 2 ohmy Napätie naprázdno 74.5V Otáčky naprázdno 594 ot/min Vypočítané hodnoty : Rýchlosť vody: c=0.95*sqrt( 2*9.81*2)=5.95 m/s Maximálna hltnosť: Qmax=0,78*0,048*0,206*5,95=0,0458 m 3 /s=45,8l/s Pracovné otáčky : n=v*60/pi*d= 2.975*60/3.14*0.2=284 ot/min Maximálny výkon vodného stroja: Pmax=6,3*Qmax*h=6,3*0,0458*2=0,577kW 193
VÝSLEDKY Tab.1: Meranie výkonovej charakteristiky a otáčok turbíny Por.č. Otvorenie lopatky Plocha štrbiny [m2] Hltnosť [l/s] U[V] I[A] P[W] Otáčky1/min 1 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 2 0,45 0,00 0,21 4,90 2,86 14,01 27,00 3 9,09 0,09 4,17 10,30 5,90 60,77 107,00 4 13,64 0,13 6,26 14,52 8,57 124,44 161,00 5 18,18 0,18 8,34 17,50 10,50 183,75 196,00 6 22,73 0,22 10,43 21,00 12,38 259,98 230,00 7 27,27 0,27 12,52 23,00 13,50 310,50 255,00 8 31,82 0,31 14,60 25,40 14,00 355,60 276,00 9 36,36 0,36 16,69 25,63 15,10 387,01 285,00 10 40,91 0,40 18,77 26,70 15,50 413,85 295,00 11 45,45 0,45 20,86 26,99 16,30 439,94 305,00 12 50,00 0,49 22,95 28,40 16,55 470,02 312,00 13 54,55 0,54 25,03 29,00 17,00 493,00 319,00 14 59,09 0,58 27,12 29,61 17,24 510,48 326,00 15 63,64 0,63 29,20 30,32 17,60 533,63 334,00 16 68,18 0,67 31,29 31,00 17,80 546,00 335,00 17 72,73 0,72 33,37 31,00 17,96 556,76 338,00 18 77,27 0,76 35,46 31,00 17,96 556,76 338,00 19 81,82 0,81 37,55 30,94 17,92 554,44 342,00 20 86,36 0,85 39,63 30,96 17,86 552,95 342,00 21 90,91 0,90 41,72 30,97 17,83 552,20 343,00 22 100,00 0,99 45,89 30,97 17,83 552,20 343,00 Závislosť výkonu od hltnosti turbíny Cross Flow 200 pri záťaži 2 Ohmy. 800 Výkon [W] 600 400 200 Výkon [W] 0 0 10 20 30 40 50 Hltnosť turbíny [l/s] Graf 1: Závislosť výkonu od hltnosti turbíny Cross Flow 200 194
Závislosť otáčok od hltnosti turbíny Cross Flow 200 pri záťaži 2 Ohmy. Otáčky [1/min] 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 Hltnosť turbíny [l/s] Otáčky[1/min] Graf 2: Závislosť otáčok od hltnosti turbíny Cross Flow 200 Tab. 2 Meranie pracovnej chrakteristiky turbíny U [V] I [A] P [W] Otáčky [ 1/min] 47 10 470 430 47 10,5 493,5 418 44,9 11,13 499,737 414 43,5 11,55 502,425 412 41,7 12,38 516,246 398 38,8 13,73 532,724 377 35 15,27 534,45 359 32,3 16,3 526,49 342 29,6 17,3 512,08 326 25 20 500 316 24,7 19 469,3 296 Závislosť otáčok od výkonu turbíny Cross Flow 200 550 530 Výkon [W] 510 490 Výkon 470 250 275 300 325 350 375 400 425 450 Otáčky [1/min] Graf 3: Závislosť otáčok od výkonu turbíny Cross flow 200 195
DISKUSIA Merania prevedené na Cross flow turbíne sú uvedené v tabuľke č.1.a v tabuľke č.2. Pri plnom otvorení regulačného orgánu turbíny bola plocha vodného lúča 0,099 m 2, čomu odpovedal prietok vody 45,89 l/s. Pri tomto prietoku bol maximálny nameraný elektrický výkon generátora 552 W, a otáčky turbíny boli 343 otáčok za minútu. Teoretický vypočítaný výkon vodného stroja je 577 W. Obr. 3,4: Turbína Cros Flow 200 ZÁVER Cieľom práce bolo overiť možnosť použitia turbíny Cross flow v spojení s pomalobežným generátorom s permanentnými magnetmi bez použitia prevodov. Tiež sme preverili možnosť použitia daného sústrojenstva vodný motor generátor ako vhodného mikrozdroja elektrickej energie pre malé spády a nízky prietok vody. Z nameraných výsledkov a grafov vyplýva, že Cross flow turbína pre daný vodný tok bola správne vypočítaná a skonštruovaná. Zároveň sa potvrdila správnosť voľby daného sústrojenstva ako mikrozdroja elektrickej energie. Nespornou výhodou Cross flow turbíny je podstatne menšie zanášanie nečistotami z vodného toku, jej odolnosť proti abrázii pieskom a jej malá náchylnosť ku kavitácii. Z ekologického hľadiska výrazne okysličuje vodu. LITERATÚRA [1] Posúdenie možnosti výstavby alternatívnych zdrojov na báze obnoviteľných a druhotných energetických zdrojov s možnosťou nasadenia po roku 2000. 1. etapa. Výskumná správa. Bratislava, EGÚ 1997 [2] HODÁK T, DUŠIČKA P.: Malé vodné elektrárne,jaga group Bratislava 1998 [3] KOZÁK Š., Robustné metódy nastavovania PID regulátorov pre kaskádové regulačné obvody, Sborník XXIII. Semináře ASR 1999 Ostrava. [4] Kol. autorů : Obnovitelné zdroje energie, Praha 2001 [5] HARALANOVA E., PETKANCHIN L., PULEVA T.: Modelling and Investigating the Processes of Speed control of a Water Turbine. Energy Forum 98 whit international participation,proceedings. [6] PUSKAJLER J.:Automatizácia činnosti malých vodných elektrární, MaF 1-4/2003 [7] KMINIK P.: Vodné mikroelektrárne, Bratislava, Alfa 1990 [8] PULEVA T., HARLANOVA E.: A turbine needle s position control m in water power station. Anniversaly Scientific Conf. 25 Years FA TU Sofia, June 1999. Proceedings pp. 160 167 [9] PAŽOUT F.: Malé vodní elektrárny,sntl Praha 1987 [10] KREJČÍ V., STUPKA J.: Elektrická měření, SNTL Praha 1973 [11] IVANOV N., PETKANCHIN et al.: Digital turbine governor for water power station, Automatika & Informaties, 196
4/2000 pp. 44-46 [12] GABRIEL P., ČIHÁK F., KALANDRA P.: Malé vodní elektrárny. Praha ČVUT 1998 [13] ASTROM K., HÄGGLUND T.: PID Controllers, second ed. 1995 [14] RIVERA, D. E., MORARI, M. & SKOGESTAD S. Internal Model Control, 4. PID Controller Design, and.eng. Proc. Des. Dev., 25, 1986. [15] VÍTEČKOVÁ, M. Seřízení regulátoru PI a PID na mezní nekmitavý pochod, In New Trends in Automation of Energetic Processes 98, Zlin 19-20 mája 1998, str 485-490. [16] HYDRO VEVEY S.A.: Hydraulic turbine governors. General description. 1988 [17] KOZÁK Š.,KAJAN S.: Matlab Simulink 1, STU Bratislava 1999 [18] KOZÁK Š.: Matlab Simulink 2, STU Bratislava 1999 [19] MAŤAŠOVSKÝ O.:Hydromechanika SNTL Praha 1964 197