ELEKTROWNIE WODNE
ELEKTROWNIE WODNE
Do małych elektrowni wodnych (MEW) zalicza
się elektrownie o mocach zainstalowanych do
około 5 MW (w niektórych krajach do 10 MW).
Najczęściej spotykane są elektrownie
przepływowe,
w których wartość oddawanej mocy zależy od
chwilowego przepływu wody. Z punktu widzenia
systemu elektroenergetycznego są to tzw.
elektrownie podstawowe. Charakteryzują się
one bardzo małą zdolnością retencyjną
zbiornika górnego.
Działania przygotowawcze do wyznaczania
parametrów MEW
1. Wykonanie budowli do spiętrzenia wody.
2. Badania parametrów cieku wodnego w cyklu rocznym.
Projekt techniczny małej elektrowni wodnej:
−
poziom górnej wody,
− poziom dolnej wody,
− spad strumienia wody, tzw. spad niwelacyjny,
− przepływ w rzece dla danego przekroju piętrzenia,
− instalowany przełyk turbiny, czyli maksymalną objętość
strumienia wody przepływającej przez turbinę w jednostce
czasu (na podstawie średniego rocznego przepływu),
− moc znamionową elektrowni,
− parametry turbiny i przekładni mechanicznej,
− dane hydrogeneratora,
− układ i typ rozdzielni elektrowni,
− schematy układów sterowania, automatycznej regulacji i
zabezpieczeń,
− parametry linii i ewentualnie stacji transformatorowo –
rozdzielczej, łączącej elektrownię z systemem
elektroenergetycznym,
− wartość produkcji energii w ciągu roku, oszacowaną na
podstawie znajomości zmian parametrów przepływu wody w
ciągu roku,
− czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni, służący
do oceny ekonomicznej elektrowni, wyznaczany z wartości
produkcji rocznej i mocy zainstalowanej.
Energia strumienia wody
W rzecznych elektrowniach wodnych energię elektryczną
uzyskuje się z energii kinetycznej a zwłaszcza z energii
potencjalnej wody. Wykorzystując równanie Bernoulliego:
.
2
2
const
p
h
g
c
gdzie:
c - prędkość wody [m/s],
g - przyśpieszenie ziemskie [m/s
2]
,
h - wysokość [m],
p - ciśnienie [Pa],
ρ - gęstość wody [kg/m
3]
,
Przekrój koryta rzeki: a) w stanie naturalnym, b) po wybudowaniu zapory
Dane do projektu małej elektrowni wodnej:
− strumień wody zostanie podany na jedną (trzy) turbinę
rurową Kaplana,
− spad H = 1,8 m,
− przełyk maksymalny Q = 2,1 (6,3) m
3
/s,
− przełyk maksymalny turbiny Q
t
= 2,1 m
3
/s,
− obroty nominalne turbiny n
t
= 238 obr/min,
− sprawność turbiny η
t
= 92 % (0,82-0,92),
− sprawność przekładni η
p
= 95 %,
− sprawność generatora η
g
= 94 % (0,94 – 0,97) ,
− sprawność układu wyprowadzenia mocy η
s
= 98 % (0,98
– 0,99),
− moc potrzeb własnych ΔP
pot.w
= 2 % mocy elektrowni.
Turbina Kaplana
Turbina Kaplana to odmiana turbiny
śmigłowej, czyli takiej której łopatki mają
kształt podobny do śrub okrętowych. Jej
odmienność polega na możliwości zmiany
kąta łopat w czasie pracy, a w efekcie także
regulację otrzymywanej mocy i dużo
większy zakres wysokich sprawności. Liczba
łopat wirnika wynosi od 3 do 10. Turbina ta
stosowana jest przy spadach od 1,5 do 80 m
- przy większych spadach wykazuje ona
mniejszą odporność na kawitację.
Wyznaczanie maksymalnej moc na wale turbiny
(moc odpowiadająca maksymalnemu przełykowi)
t
t
t
Q
H
g
P
gdzie:
P
t
– maksymalna moc na wale turbiny [kW]
g – przyśpieszenie ziemskie [m/s
2
],
H – spad [m],
Q
t
– maksymalny przełyk turbiny [m
3
/s],
η
t
– sprawność turbiny.
Wyznaczanie maksymalnej mocy trzech turbin
(moc odpowiadająca maksymalnemu przełykowi)
t
Z
P
P
3
gdzie:
P
z
– maksymalna moc trzech turbin
[kW]
P
t
– maksymalna moc na wale turbiny
[kW]
α = 0,964 – współczynnik korygujący z
tytułu spiętrzenia wody dolnej.
Wyznaczanie mocy na zaciskach
każdego z turbogeneratorów
g
p
t
g
P
P
g
p
z
g
P
P
3
1
gdzie:
Pg – moc na zaciskach turbogeneratora
[kW],
η
p
− sprawność przekładni,
η
g
− sprawność generatora.
Wyznaczanie mocy oddawanej do
sieci
s
w
pot
g
el
P
P
P
.
3
gdzie:
P
el
– moc elektryczna oddawana do sieci
[kW],
P
g
– moc na zaciskach turbogeneratora
[kW],
ΔP
pot.w
− moc potrzeb własnych [kW],
η
s
− sprawność układu wyprowadzenia
mocy .
s
w
pot
g
el
P
P
P
.
Wyznaczanie energii oddawanej do
sieci
E
śr
= P
śr
·t [kWh]
gdzie:
E
śr
– roczna ilość energii elektrycznej oddawanej do sieci
[kWh],
P
el
– moc elektryczna oddawana do sieci [kW],
t = 8760 [h] – średni roczny czas pracy.
Dobór wymiarów turbiny
W celu określenia średnicy każdej z trzech turbin rurowych
Kaplana z wałem poziomym, wyznaczamy prędkość obrotową
normalną zredukowaną do spadu jednego metra.
m
obr
H
n
n
t
I
min
gdzie:
n
i
– prędkość obrotową normalną zredukowaną do spadu
jednego metra
n
t
– obroty nominalne turbiny [obr/min],
H − spad [m].
m
obr
min
Wyznaczanie przełyku zredukowanego do spadu jednego metra
dla jednej turbiny
m
s
m
H
Q
Q
t
I
3
gdzie:
Q
i
– przełyk zredukowany do spadu jednego metra
Q
t
– przełyk maksymalny turbiny [m
3
/s],
H − spad [m].
Przybliżona wartość maksymalnej mocy zredukowanej
do spadu jednego metra
]
[
5
,
8
kW
Q
N
I
I
Natomiast przybliżona wartość wyróżnika szybkobieżności
n
SN
czyli prędkości obrotowej turbiny geometrycznie podobnej,
która przy spadzie H = 1m osiąga moc 1 KM = 0,736 kW:
min]
/
[
736
,
0
obr
N
n
n
I
I
SN
Inny sposób obliczania wyróżnika szybkobieżności
min]
/
[
736
,
0
4
5
obr
H
P
n
n
t
SN
Podział turbin w zależności od szybkobieżności
Wyznaczanie średnicy charakterystycznej wirnika
]
[
736
,
0
16
,
0
40
m
N
n
D
I
SN
Powyższy wzór obowiązuje dla spadów poniżej 10 m.
Zalecana ilość łopatek wirnika wynosi 3.
Dla trzech łopatek, zalecana wartość stosunku średnicy piasty
wirnika do średnicy charakterystycznej d
w
/D = 0,35. W
związku z tym średnica piasty wirnika powinna wynosić:
]
[
35
,
0
m
D
d
w
Wyznaczanie parametrów generatora
Biorąc pod uwagę moc uzyskaną P
g
założono, że każda z turbin będzie
współ-pracować z generatorem asynchronicznym o mocy 30 kW i
napięciu 400 V. Dobrano silnik typu 2Sg 225M6 produkcji CELMY, o
parametrach:
83
,
0
cos
];
[
400
];
[
52
min];
/
[
982
];
[
30
N
N
N
N
N
V
U
A
I
obr
n
kW
P
• elektrownie wiatrowe wykorzystywane są przede
wszystkim do produkcji energii elektrycznej,
• siłownie wiatrowe mogą być podłączone do
krajowej sieci energetycznej lub też pracować na
sieć wydzieloną i zaspokajać zapotrzebowanie
energetyczne zakładu produkcyjnego,
gospodarstwa rolnego lub domu,
• niektóre siłownie wiatrowe wykorzystują
bezpośrednio energię wiatru do pompowania
wody, napowietrzania zbiorników wodnych i
innych celów
Energia wiatru
Zasoby energii wiatru w Polsce
Moc teoretyczna silnika wiatrowego
Strumień powietrza o przekroju A [m
2
] poruszający się z
prędkością v [m/s] posiada energię kinetyczną E (w jednostce
czasu):
W
s
J
s
m
N
s
m
s
m
kg
s
m
s
kg
E
N
2
2
2
]
[
2
2
W
v
m
E
v
A
v
m
v
Masowe natężenie przepływu
= 1,22 [kg/m
3
] - gęstość powietrza dla temperatury + 15
o
C,
- objętościowe natężenie przepływu [m
3
/s],
]
[
2
2
3
2
W
v
A
v
v
A
P
E
S
Moc teoretyczna silnika wiatrowego (gdy
prędkość wiatru po przejściu przez koło wiatrowe
= 0)
Moc teoretyczna wiatru jest zamieniana na pracę mechaniczną.
Straty energetyczne na łopatach turbiny określa współczynnik
wydajności turbiny c
p
. Zawiera on w sobie straty na oporach
przepływu powietrza na łopatach turbiny oraz stopień
wykorzystania strugi wiatru. Największa teoretyczna wartość c
p
wynosi 0,687 a jej praktyczna wartość oscyluje ok. 0,35.
Energia rzeczywista silnika wiatrowego
]
/
[
a
kWh
A
K
E
e
n
K
e
- potencjał energetyczny
- 0,15 do 0,25
v
śr
(m/s)
K
e
(kWh/a)
6,0
2 000
5,0
1 500
4,5
1 250
4,0
1 000
3,5
750
3,0
500
Dobór elektrowni wiatrowej.
Założenia :
1.Roczne zapotrzebowanie na energie elektryczną 3 [MWh],
2.Wysokość masztu 30 m.n.p.g.,
3.II strefa energetyczna wiatru,
4.Sprawność całkowita siłowni wiatrowej 25 %.
Strefy energetyczne wiatru
Rejon
Średnia prędkość wiatru na wys. 20 m n.p.g
I
5 - 6
II
4,5 - 5
III
4 - 4,5
IV, V, VI
warunki niekorzystne i tereny wyłączone, v<4
m/s
Do określenia średniej prędkości wiatru na dowolnej wysokości
zastosuje się wzór, zgodnie z którym stosunek prędkości v
1
na
wysokości Z
1
do prędkości v
2
na wysokości Z
2
wynosi:
v
1
/ v
2
= (Z
1
/ Z
2
)
3α
gdzie:
v - średnia prędkość wiatru w m/s na wysokościach Z
1
i Z
2
,
α - wykładnik potęgowy zależny od szorstkości podłoża.
Skala szorstkości
Klasa
szorstkości
Szorstkość
długość
[m]
Energia
(%)
Wykładnik
potęgi α
Rodzaj terenu
0
0.0002
100
0,150
Powierzchnia wody
0.5
0.0024
73
Całkowicie otwarty teren np. betonowe
lotnisko, trawiasta laka itp.
1
0.03
52
0,165
Otwarte pola uprawne z niskimi
zabudowaniami (pojedynczymi).Tylko lekko
pofalowane teren.
1.5
0.055
45
Tereny uprawne z nielicznymi
zabudowaniami i 8 metrowymi żywopłotami
oddalonymi od siebie o ok. 1250 metrów.
2
0.1
39
0,190
Tereny uprawne z nielicznymi
zabudowaniami i 8 metrowymi żywopłotami
oddalonymi od siebie o ok. 500 metrów.
2.5
0.2
31
Tereny uprawne z licznymi zabudowaniami i
sadami lub 8 metrowe żywopłoty oddalone
od siebie o ok. 250 metrów.
3
0.4
24
0,220
Wioski , małe miasteczka , tereny uprawne
z licznymi żywopłotami , las lub
pofałdowany teren.
3.5
0.8
18
Duże miasta z wysokimi budynkami.
4
1.6
13
0,270
Bardzo duże miasta z wysokimi budynkami
i drapaczami chmur.
Promień siłowni wiatrowej
-
gęstość powietrza 1,225 kg/m
3
dla 15 st. C,
E - zapotrzebowanie na energię elektryczna kWh/rok,
v - średnia prędkość wiatru na danej wysokości powyżej pow. gruntu,
t - czas (liczba godzin w roku) h,
-
sprawność całkowita elektrowni wiatrowej (przekładnia, wirnik,
prądnica)
]
[
2000
3
m
t
v
E
r