UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Rastko LORGER IZBIRA IN DIMENZIONIRANJE MIKRO HIDROELEKTRARNE NA POTOKU SAPOČNICA visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje Strojništvo smer Strojništvo Maribor, avgust 2014
IZBIRA IN DIMENZIONIRANJE MIKRO HIDROELEKTRARNE NA POTOKU SAPOČNICA Študent: Rastko LORGER Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program 1. Stopnje Strojništvo smer Strojništvo Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo Mentor: Somentor: Doc. dr. Ignacijo BILUŠ Red. prof. dr. Brane ŠIROK Maribor, avgust 2014
Vložen original sklepa o potrjeni temi diplomskega dela I
I Z J A V A Podpisani Rastko Lorger izjavljam, da: je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom Ignacija Biluša in somentorstvom Braneta Široka; predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi; soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru. Maribor, 25.8.2014 Podpis: II
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju Ignaciju Bilušu in somentorju Branetu Široku za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvala velja tudi Maruši Bračič za moralno podporo in angleški prevod. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij. III
IZBIRA IN DIMENZIONIRANJE MIKRO HIDROELEKTRARNE NA POTOKU SAPOČNICA Ključne besede: mikro hidroelektrarna, Bankijeva turbina, potok Sapočnica, obnovljivi viri UDK: POVZETEK V diplomski nalogi je predstavljena ideja izgradnje mikro hidroelektrarne na odcepu potoka Sapočnica, katere cilj je bil izvesti hidrološko in geološko meritev na terenu in na osnovi izmerjenih parametrov in statističnih podatkov izbrati energetsko najbolj učinkovito vrsto vodne turbine. V okviru diplomske naloge je bil na podlagi izmerjenega pretoka in višinske razlike med zajetjem in vtokom izbran Bankijev tip rotorja vodne turbine, za katero smo podali osnovne dimenzije in izračunali moč na gredi. Določili smo tudi tip generatorja in izračunali predvideno letno proizvodnja električne energije. Podana je tudi ocena ekonomičnosti celotnega idejnega projekta. Rezultati kažejo, da se za obravnavan primer investicija povrne v 13,7 letih. Kljub dolgi dobi vračanja je izvedba smiselna, saj prispeva k samooskrbi našega gospodinjstva in k izpolnjevanju evropskih smernic glede proizvodnje električne energije iz obnovljivih virov. IV
THE CHOICE AND CALCULATION OF A MICRO HYDROELECTRIC POWER STATION ON SAPOČNICA STREAM Keywords: micro hydroelectric power station, Banki turbine, Sapočnica stream, renewable resources UDK: ABSTRACT The thesis presents an idea of constructing a micro hydroelectric power station on the Sapočnica stream. The aim was to carry out hydrological and geological measurments in the field and, on the basis of measured parameters and statistical data, choose the most energy efficient type of water turbine. According to the measured flow and height difference between the reservoir and inlet, we chose the Banki water turbine rotor, for which we determined basic dimensions and calculated the shaft power. We also determined the generator type and calculated estimated annual electricity production. Furthermore, we included the economic evaluation of the entire preliminary design and the results indicate that the return on investment is 13.7 years. Even though the return period is long, the implementation of the project is reasonable as it contributes to the self-sufficency of our household and to the fulfillment of European guidlines regarding the production of electricity from renewable resources. V
KAZALO 1 UVOD... - 1-1.1 Splošna izhodišča... - 1-1.2 Opredelitev problema... - 1-1.3 Predstavitev diplomske naloge po poglavjih... - 2-2 MIKRO HIDROELEKTRARNA... - 3-2.1 Splošno o mikro hidroelektrarnah... - 3-2.2 Postavitev mikro hidroelektrarne... - 5-3 VODNI POTENCIAL POTOKA SAPOČNICA... - 6-3.1 Geografska lega... - 6-3.2 Pretok... - 7-3.3 Višinski padec... - 10-3.3.1. Meritev padca... - 10-3.3.2. Bruto padec... - 11-3.3.3. Neto padec... - 11-4 VRSTE VODNIH TURBIN... - 14-4.1 Najpogostejši tipi vodnih turbin [6]... - 14-4.2 Statistične metode za izbiro vodnih turbin... - 14-5 IZBIRA IN PRERAČUN VODNE TURBINE... - 16-5.1 Izbira tipa rotorja... - 16-5.1.1. Peltonova turbina... - 16-5.1.2. Bankijeva turbina [6]... - 17-5.1.3. Izbira... - 17-5.2 Določitev glavnih dimenzij turbine... - 18-5.3 Določitev gonilnika in obratovalnih karakteristik... - 20-5.3.1. Gonilnik... - 20-5.3.2. Vrtilna hitrost... - 22-5.4 Predvidene količine proizvedene električne energije... - 22-5.4.1. Izkoristek turbine... - 22-5.4.2. Mehanska moč turbine... - 22-5.4.3. Izbira generatorja... - 23-5.4.4. Električna energija... - 25-6 SINTEZA IN ANALIZA REZULTATOV... - 26 - VI
7 SKLEP... - 27-8 LITERATURA... - 28 - VII
UPORABLJENI SIMBOLI Q [m 3 /s] - neto padec a [m] - širina merilne proge a o [m] - širina šobe b [m] - višina vode v merilni progi cosφ [/] - faktor moči generatorja D [m] - gospodarski premer cevovoda D 1 [m] - premer gonilnika E [kw/h] - dnevna proizvodnja električne energije E leto [MW] - letna proizvodnja električne energije f N [Hz] - frekvenca g [m/s 2 ] - gravitacijski pospešek (9,81 m/s 2 ) h [m] - dolžina šobe H b [m] - bruto padec H n [m] - neto padec H n (%) [/] - razmerje med neto in bruto padcem v % I mm [m/m] - izgube padca na tekoči meter cevovoda I N [A] - nazivni tok k c [/] - koeficient za cevi k v [/] - korigirni koeficient hitrosti l [m] - razdalja med zajetjem in strojnico l p [m] - dolžina proge n [min -1 ] - vrtilna hitrost O [m] - omočeni obseg preseka vodnega toka P [kw] - moč turbine P e [kw] - prejeta delovna moč iz omrežja P izg [kw] - izgube asinhronskega generatorja P N [kw] - nazivna moč generatorja P t [kw] - potrebna moč na gredi turbine za 100 % obremenitev asinhronskega generatorja Q [m 3 /s] - pretok Q 12 [m 3 /s] - 12 mesečni pretok vode VIII
Q 3 [m 3 /s] - 3 mesečni pretok vode Q 6 [m 3 /s] - 6 mesečni pretok vode Q 9 [m 3 /s] - 9 mesečni pretok vode Q N [m 3 /s] - pretok vode v N-tem dnevu R [m] - hidravlični polmer r 1, r 2, r 3, r 4, r 5, r 6, z, s, s', s'', d g, d p, l p, f, k [mm] - dimenzije gonilnika turbine S [m 2 ] - ploščina preseka vodnega toka S m [kva] - navidezna moč asinhronskega generatorja t [s] - čas U [V] - napetost omrežja v [m/s] - hitrost vode na gladini v c [m] - hitrost vode v cevovodu v p [m/s] - srednja hitrost vode x 1, y 1 [m] - koordinate zajetja x 2, y 2 [m] - koordinate strojnice η m [/] - izkoristek asinhronskega generatorja η N [min -1 ] - izkoristek generatorja pri 100 % obremenitvi η t [/] - izkoristek turbine η tt [/] - izkoristek asinhronskega motorja pri delni obremenitvi π [/] - konstanta pi (~3,14) IX
1 UVOD 1.1 Splošna izhodišča V današnjem času se zaradi neprestanega povečevanja potreb po energiji povečuje tudi povpraševanje po predvsem obnovljivih virih energije. Predstavniki vlad držav Evropske unije so leta 2007 sprejeli integriran pristop do podnebne in energetske politike s ciljem omejiti podnebne spremembe in povečati energetsko varnost ob hkratnem povečevanju konkurenčnosti. Podnebno-energetski paket, kot mu pravimo, med drugim predvideva 20 odstotkov obnovljivih virov v končni rabi energije na nivoju EU, do leta 2020 [13]. Za Slovenijo iz tega paketa velja zavezujočih 27%, kar pomeni, da bo potrebno povečati delež rabe obnovljivih virov energije. Ker je Slovenija zelo bogata z naravnimi površinskimi tekočimi vodami bi bilo smiselno začeti spodbujati gradnjo majhnih in mikro hidroelektrarn, ki bi lahko veliko doprinesle k izpolnitvi energijskega paketa. 1.2 Opredelitev problema Eden izmed neizkoriščenih vodnih virov je tudi potok Sapočnica, katerega vodni potencial je v preteklosti bil množično izkoriščan za pogon mlinskih koles in žag, v današnjem času pa neizrabljen mirno teče do izliva v Dravinjo. Pred dobrimi 30-imi leti je bila s strani občine Zreče načrtovana izgradnja mikro hidroelektrarne na skoraj isti lokaciji, kot je predvidena v tej diplomski nalogi, vendar je zanimanje za izvedbo projekta kmalu zamrlo. Zanimanje za postavitev mikro hidroelektrarne se je, zaradi neusmiljenega dvigovanja cen fosilnih goriv, ponovno pojavilo nekaj let nazaj. Tako proizvedena električna energija bi se koristila v privatne namene ogrevanja in oskrbovanja z elektriko stanovanjske hiše. Ker se na takšen način pripomore tudi k varovanju okolja in zmanjšanju emisij CO 2 je ob primerni povračilni dobi investicije takšen projekt daljnosežno smotrn. - 1 -
Cilji te diplomske naloge so ugotoviti vodni potencial potoka Sapočnica, določititi najprimernejšo turbino za izrabljanje tega potenciala in oceniti ali se postavitev mikro hidroelektrarne splača. 1.3 Predstavitev diplomske naloge po poglavjih V drugem poglavju je predstavljena različna delitev hidroelektrarn, opis mikro hidroelektrarn, predstavitev njihovih prednosti in slabosti. Opisan je postopek, ki mu je potrebno slediti za pridobivanje pravice za postavitev mikro hidroelektrarne. Tretje poglavje opisuje geografsko lego potoka Sapočnica. Predstavljen je način meritve in postopka izračuna pretoka v krajšem časovnem obdobju in višinske razlike na odseku potoka, kjer naj bi se odvzel del vode za pogon vodne turbine. V četrtem poglavju so navedeni različni tipi vodnih turbin in opisan postopek izbire najprimernejše turbine za v drugem poglavju določen pretok in padec. Peto poglavje zajema končno izbiro vodne turbine z ozirom na finančni vložek. Določene so dimenzije turbine in gonilnika, kakor tudi osnovne obratovalne karakteristike. Na podlagi prej določenih podatkov je izbran električni generator in izračunana predvidena letna proizvodnja električne energije. Šesto poglavje vsebuje ekonomski pogled na celoten projekt postavitve in poda približno vračilno dobo investicije. V sedmem poglavju je objektiven razmislek o smiselnosti postavitve mikro hidroelektrarne na potoku Sapočnica. Prav tako so omenjene težave, ki lahko nastopijo pri izvedbi samega projekta. Osmo poglavje je seznam uporabljenih virov. - 2 -
2 MIKRO HIDROELEKTRARNA 2.1 Splošno o mikro hidroelektrarnah Hidroelektrarne klasificiramo glede na nazivno inštalirano moč. Katere so mejne vrednosti za klasifikacijo v določen rang se po svetu razlikujejo glede na razvitost dežele. V Evropi in tudi Sloveniji velja naslednja delitev: - Mikro hidroelektrarna: do 50 kw - Mala hidroelektrarna: med 50 kw in 1 MW - Srednja hidroelektrarna: med 1 MW in 100 MW - Velike hidroelektrarne: nad 100 MW Poleg nazivne moči delimo hidroelektrarne tudi glede na obliko mehanske energije (akumulacijske in pretočne), višino padca (nizko, srednje in visokotlačne) ter vrsto turbine (kaplanova, francisova, peltonova, bankijeva). Poleg naštetega delimo male in mikro hidroelektrarne še po vrsti dovoda (odprt, zaprt in delno odprt dovod). Mikro hidroelektrarne sodijo med pretočne hidroelektrarne, saj sproti izrabljajo količino vode, ki priteka po strugi. Za njihovo obratovanje je del toka vode potoka ali reke po cevovodu speljan do turbine, ki poganja generator in tako proizvaja električno energijo. Energijsko osiromašeno vodo nato po odvodnem kanalu vrača v naravno strugo. Pri tem je, ob skrbnem načrtovanju količine odvzema, poseg v okolje minimalen in brez škodljivih posledic. Groba razdelitev delov mikro hidroelektrarne zajema [6]: - objekt za zajezitev vode, - objekt za dovod vode, - naprava za pretvorbo vodne energije v mehansko delo, - naprave za proizvodnjo električne energije, - naprave za upravljanje in nadzor elektrarne, - transformator in odvod električne energije, - objekt za odvod vode iz strojnice. Energija, ki jo proizvede mikro hidroelektrarna, je ''čista energija'', saj se pri njenem pridobivanju v okolje ne odvajamo nobenih škodljivih stranskih produktov (kakor npr. termoelektrarne z zgorevanjem). - 3 -
Vodna energija je obnovljiv vir energije, saj je voda, ki teče skozi turbino, del naravnega vodnega cikla, ki ga poganja sonce. Druge vrste obnovljive energije so še vetrna, sončna, biomasa, bibavica in geotermalna energija. Slika 2.1: Naravni vodni cikel Kakor vse vrste energij ima tudi vodna svoje prednosti in slabosti pri pretvorbi v električno v mikro hidroelektrarnah. Razen napak, ki se lahko pojavijo zaradi naravnih nesreč (potresi, poplave...) in napak, zaradi človeškega faktorja, mikro hidroelektrarne nimajo slabosti. Prednosti: - Prilagodljivost (kratek čas zagona, hiter odziv na spremembe pretoka, učinkovita izhodna regulacija...). - Nizka cena energije (nizki stroški vzdrževanja, dolga življenjska doba elektrarne...). - Zmanjšuje izpust CO 2 (za delovanje hidroelektrarn ni potrebe po fosilnih gorivih). - Visok izkoristek (hidroelektrarne dosegajo izkoristke do 95 %). Večinoma se mikro hidroelektrarne uporabljajo za oskrbovanje osamljenih domačij ali skupnosti z električno energijo, lahko pa so priključene na nizko napetostno omrežje. Po svetu jih najdemo predvsem v razvijajočih se deželah, kjer zagotavljajo ekonomično ugoden vir - 4 -
energije brez stroškov za fosilna goriva (hidroelektrarna moči 10 kw vsako uro svojega obratovanja prihrani približno 10 kg premoga ali 2 litra nafte [6]). 2.2 Postavitev mikro hidroelektrarne Da lahko postavimo mikro hidroelektrarno je potrebno pridobiti ustrezna dovoljenja. S pravilno načrtovanim postopkom se izognemo nepotrebnim stroškom in zapravljanju časa. Pravilen pristop za izgradnjo mikro hidroelektrarne je predstavljen v naslednjih točkah [14] [18]: - Investitor izvede analizo potencialne lokacije objekta. Pozanima se o lastništvu parcel, možnosti nakupa ali najema, uredi mapno kopijo ter pridobi potrdila o namenski rabi zemljišč. V kolikor se pokaže možnost odkupa zemljišč ali najema, v primeru, če investitor ni lastnik le-teh, se opravi meritev pretoka in padca ter preuči možnost in smotrnost gradnje na lokaciji sami. - Preveri se, ali je gradnja mikro hidroelektrarne v skladu s prostorskimi akti občine. Če je skladno s prostorskimi akti občine možna izgradnja mikro hidroelektrarne, se vloži vloga za pridobitev gradbenega dovoljenja, in sicer za odseke jezu, cevovoda in strojnice. Vloga za pridobitev gradbenega dovoljenja se na Upravno enoto vloži po izdelani idejni zasnovi, ki se izdela po pridobitvi strokovnih mnenj Ministrstva za kmetijstvo in okolje. V kolikor zemljišče ni v investitorjevi lasti, se morajo predložiti soglasja lastnikov zemljišč. - Na Ministrstvo za kmetijstvo in okolje se pošlje Pobuda za pridobitev vodne pravice, oziroma koncesijo za izrabo vode za proizvodnjo električne energije v mikro hidroelektrarni. - Ministrstvo za kmetijstvo in okolje pošlje vlogo na Inštitut za vode Republike Slovenije. Ta izdela strokovno mnenje o možnosti podelitve koncesije. Preveri se ali količina in kakovost vodnega toka omogoča nameravano rabo. Prav tako se preveri ali je nameravana raba v skladu z načeli varstva narave in vključena v prostorski akt države oziroma lokalne skupnosti. Inštitut za vode Republike Slovenije prav tako pridobi strokovna mnenja iz Zavoda za varstvo narave, Zavoda za ribištvo in Agencije za okolje. V kolikor so strokovna mnenja Ministrstva za kmetijstvo in okolje in Agencije Republike Slovenije za okolje pozitivna, se izdela koncesijski akt, ki mora - 5 -
biti skladen z zakonom za koncesije na naravnih dobrinah. Koncesija se podeli na podlagi javnega razpisa, ki ga pripravi in izvede Agencija Republike Slovenije za okolje. Upravne odločbe pripravi Agencija Republike Slovenije za okolje in jih pošlje na Ministrstvo za kmetijstvo in okolje. - Vlada razpiše javni razpis za podelitev koncesije na odseku vodotoka. O izbiri koncesionarja odloči vlada z upravno odločbo. - Sledi prijava na javni razpis za podelitev koncesije za rabo vode. - Koncesionar mora koncesijsko pogodbo skleniti v roku, ki je naveden v uredbi, oziroma odločbi o izbiri koncesionarja. - Nato sledi izdelava idejnega projekta, ki se pošlje soglasodajalcem za pridobivanje projektnih pogojev. Na tej podlagi se izdela projekt za pridobitev gradbenega dovoljenja. - Po investicijskem programu, ki ga izdela podjetje za izvajanje del, se lahko prične gradnja mikro hidroelektrarne. - Po končani gradnji in montažnih delih strojne in elektro opreme, se izvedejo meritve, funkcionalni preizkusi in tehnično poročilo pri obratovanju. - Sledi tehnični pregled in izdano uporabno dovoljenje. - Pridobi se status kvalificiranega proizvajalca. 3 VODNI POTENCIAL POTOKA SAPOČNICA 3.1 Geografska lega Potok Sapočnica, imenovan tudi Sopočnica ali Bohorinščica, izvira na področju Padeškega Vrha na nadmorski višini približno 1200 m in se kot levi pritok izliva v reko Dravinjo v kraju Loška gora na nadmorski višini 455 m. Pri tem preteče 5 km dolgo pot in ima 745 m skupnega višinskega padca. - 6 -
3.2 Pretok Zaradi razmeroma majhnega pretoka pristojne organizacije in agencije, kot so Agencija Republike Slovenije za okolje (ARSO), HIGRA d.o.o. in lokalna hidrološka postaja Zreče, meritev na omenjenem potoku ne izvajajo, zato točnega podatka pretoka za daljše obdobje ni bilo mogoče dobiti. Ker je Sapočnica potok z razmeroma majhnim pretokom je bila meritev pretoka preprosta. Izbrali smo način merjenja pretoka s pomočjo plavajočega koščka plute v lesenem koritu. V ta namen smo potok zajezili in vodo ujeli v kanal širine b = 930 mm in dolžine l = 1000 mm. Kanal smo s pomočjo libele postavili vodoravno v vodotok. Vso vodo smo nato usmerili v kanal tako da smo jo ob strani zajezili s kamenjem, muljem in travo. Slika 3.1: Merilna postaja pretoka Na začetku kanala smo v vodo spustili košček plute in s štoparico merili čas potreben da prepotuje dolžino kanala. Da bi dobili natančnejši podatek o tem času smo meritev desetkrat ponovili, zavrgli največjo in najmanjšo izmerjeno vrednost in za rezultat vzeli povprečje ostalih osem. Hkrati smo s kljunastim merilom izmerili nivo vode v koritu. Meritev sta opravljali dve osebi z istimi pripomočki za pridobitev bolj natančnega povprečnega rezultata. Zaradi časovne omejenosti se je meritev opravljala v obdobju med 10.6.2014 in 17.6.2014, ko je v strugi bila normalna količina vode. - 7 -
Iz dobljenih rezultatov smo nato izračunali hitrost toka vode na gladini. v = l p t (3.1) Ta hitrost ne ustreza dejanskemu pretoku, zato po enačbi (3.3) izračunamo srednjo vrednost hitrosti tako, da izmerjeno hitrost korigiramo s koeficientom k, ki zavzema vrednost med 0,89 in 0,50 [6]. Točno vrednost koeficienta k težko ocenimo, zato si pomagamo z diagramom na sliki 3.2 in enačbo (3.2), ki nam na podlagi oblike prelivnega kanala poda vrednost hidravličnega polmera. Hidravlični polmer je razmerje med ploščino preseka vodnega toka in omočenim delom njegovega obsega. Omočeni del ima pravokotni presek. R = S O = (a b) (a + 2 b) (3.2) R = 0,5 m Slika 3.2: Vrednost koeficienta k za računanje srednje hitrosti vode (1-gladek cement, poskobljan les, 2-grob cement, obdelan kamen, neskobljan les, 3- lomljen kamen, 4-prod, zemlja) [6] Material merilnega mesta je bil skobljan les on strani in gladka pločevinasta plošča za dno, zato k odčitavamo na krivulji 1. Odčitana vrednost koeficienta k v = 0,89. Korigirana hitrost s koeficientom k: v p = k v v (3.3) - 8 -
Pretok izračunamo kot produkt preseka vodnega toka in korigirane hitrosti. Q N = v p S = v p (a b) (3.4) Preglednica 2.1: Izmerjeni podatki potoka v časovnem obdobju med 10.7.-17.7.2014 Datum Izmerjeni čas Višina vode Hitrost na Korigirana Pretok Q N t [s] b [mm] gladini v [m/s] hitrost v p [m/s] [m 3 /s] 10.7.2014 1,09 55 1,09 0,97 0,0497 11.7.2014 1,11 53 1,11 0,99 0,0488 12.7.2014 1,12 50 1,12 1,00 0,0465 13.7.2014 1,18 48 1,18 1,05 0,047 14.7.2014 1,15 49 1,15 1,02 0,0465 15.7.2014 1,26 50 1,26 1,12 0,0522 16.7.2014 1,17 48 1,17 1,04 0,0465 17.7.2014 1,16 48 1,16 1,03 0,046 Povprečni pretok v času merjenja je Q = 0,0479 m 3 /s. Takšen pretok imamo skozi vso leto, torej 12 mesecev in ga označimo z Q 12. Vendar je pretok, ki ga imamo na voljo 9, 6 in 3 mesece večji za 1,4, 1,9 in 3-krat (Preglednica 3.2). V krajših časovnih obdobjih močnih deževij je vodotok večji tudi od 3 mesečnega, v obdobju suše pa manjši od 12 mesečnega, vendar nas ti pretoki z energijskega stališča ne zanimajo [6]. Preglednica 3.2: Predviden zagotovljeni pretok Faktor Pretok [m/s] Q 12 1 0,0479 Q 9 1,4 0,0671 Q 6 1,9 0,0910 Q 3 3 0,1437-9 -
Za kasnejši preračun parametrov hidroelektrarne vzamemo predvideni 6 mesečni pretok in ga pomnožimo s faktorjem 0,3. Tako zagotovimo ekološko sprejemljiv pretok v strugi, ki je določen s tretjim odstavkom 71. člena Zakona o vodah [12]. V času ko je vode manj bo hidroelektrarna z regulacijo dotoka delovala z manjšim izkoristkom. Obravnavani pretok za nadaljnje izračune je torej Q = 0,0273 m 3 s. 3.3 Višinski padec 3.3.1. Meritev padca Z napravo TRIMBLE GeoXT 2005 Series Pocket PC smo izmerili nadmorsko višino na lokaciji, kjer bi se naj postavila strojnica in na lokaciji, kjer naj bi bilo zajetje. Slika 3.2: TRIMBLE GeoXT 2005 Series Pocket PC [16] Naprava je sestavljena iz merilne sonde na količku višine 2 metra in nosila na višini 1 meter, kjer se pritrdi naprava, in se uporablja za določanje položaja (koordinat) in nadmorske višine. V ta namen mora v njeno zaznavno območje priti vsaj 5 satelitov. - 10 -
Količek smo postavili na predvidenem mestu za strojnico in počakali na pridobitev dovolj satelitov za izpis podatkov. Za natančnejši podatek smo počakali dokler ni v doseg prišlo še korekcijsko letalo, ki popravi odčitek na 0,1 meter natančno. Meritev smo večkrat ponovili da bi se prepričali v točnost meritve. Isto smo ponovili na predvidenem mestu za zajetje. Rezultati meritev so se pri ponovitvah ujemali in znašajo: - strojnica: 462,4 m. n. v. (138854,0 m S, 529175,1 m V) - zajetje: 492,5 m. n. v. (139176,8 m S, 529306,6 m V) 3.3.2. Bruto padec Bruto padec je višinska razlika med zgornjo (mesto odvzema) in spodnjo (mesto vtoka v turbino) vodno gladino na odseku vodnega toka, ki ga želimo energijsko izkoriščati. Iz izmerjenih podatkov v poglavju 3.3.1 se da enostavno določiti bruto padec tako, da od nadmorske višine zajetja odštejemo nadmorsko višino strojnice. Bruto padec tako znaša H b = 30,1 m z možnostjo napake 0,2 metra, ki jo v nadaljnjih računih zanemarimo. 3.3.3. Neto padec Zaradi izgub, ki se pojavljajo v cevovodu in ostalih elementih dovoda vode od zajetja k turbini, se za pogon turbine celotnega bruto padca ne da izkoristiti. Za izgube zmanjšan bruto padec imenujemo neto padec in se uporablja za izračun energijskega izkoriščanja. Za izračun neto padca moramo izračunati izgube padca v cevovodu, zato pa potrebujemo podatke o dolžini, premeru, hidravličnem polmeru cevovoda in hitrosti vode v cevovodu.. Iz izmerjenih koordinat (poglavje 3.3.1) lahko določimo razdaljo med zajetjem in strojnico: l = (x 2 x 1 ) 2 + (y 2 y 1 ) 2 (3.5) l = 348,6 m - 11 -
Premer cevovoda določimo z enačbo za gospodarsko najbolj primeren premer cevovoda. Premajhen premer pomeni večje hitrosti vode in večje izgube padca, kar pa posledično privede do manj proizvedene energije. D = 0,8 Q 0,4 (3.6) D = 0,19 m Izberemo naslednji večji standardni premer okroglega cevovoda D = 0,20 m in ga uporabimo pri izračunu hidravličnega polmera. R = D 4 (3.7) R = 0,05m S izračunanimi podatki dobimo hitrost vode v cevovodu. v c = (4 Q) (D 2 π) (3.8) v c = 0,87 m/s Dovod vode od zajetja do turbine bo izveden s podtalnim plastičnim cevovodom. Z enačbo (2.5) izračunamo izgube padca v dovodnem cevovodu na tekoči meter cevovoda s pomočjo koeficienta k c, ki za plastične cevi znaša 120 [6]. I mm = v 2 (k c 2 R 1,333 ) (3.9) I mm = 2,85 10 3 m izg /m cev - 12 -
Neto padec sedaj določimo tako, da izgube pomnožimo z dolžino cevovoda in dobljeno vrednost odštejemo od bruto padca. H n = H b (I mm l) (3.10) H n = 29,1 m Pri določitvi neto padca smo zanemarili izgube, ki se pojavijo na rešetki, v kolenih, pri vtoku in iztoku v turbino, saj na končni rezultat nimajo bistvenega vpliva. Pravilnost izračuna neto padca se da preveriti iz pogoja, da je neto padec 90 do 98% bruto padca [6]. H n % = (H n H b ) 100% (3.11) H n % = 96,7% Neto padec se nahaja v primernem območju, zato je rezultat zadovoljiv. - 13 -
4 VRSTE VODNIH TURBIN 4.1 Najpogostejši tipi vodnih turbin [6] Za majhne hidroelektrarne prihaja v poštev več vodnih turbin. Uporaba vsake vrste je gospodarna na določenem področju padcev pretokov. Tako ustrezajo višjim padcem in manjšim pretokom peltonove turbine. Za srednje pretoke na srednjih padcih uporabljamo francisove turbine. Za večje pretoke na nizkih padcih pa prihajajo v poštev propelerske turbine. Te turbine ustrezajo tako velikim kot majhnim hidroelektrarnam. V malih hiroelektrarnah srečujemo francisovo turbino v treh različnih izvedbah: - za vgraditev v jašek z navpično gredjo - za vgraditev v jašek z vodoravno gredjo - špiralne z vodoravno gredjo V mikrohidrelektrarnah naletimo še na eno vrsto turbin, ki jih velike hidroelektrarne ne poznajo. To so bankijeve turbine. Zanje je značilno zelo široko področje uporabe, saj lahko nadomestijo tako peltonove kot francisove turbine. Le za velike pretoke na nizkih padcih, ki so področje propelerskih turbin, jih ni primerno uporabljati. 4.2 Statistične metode za izbiro vodnih turbin Zaradi gospodarnosti so strokovnjaki razvili take turbine, ki so za posamezna področja padcev in pretokov najcenejše, imajo primerno vrtilno hitrost, dolgo življenjsko dobo in terjajo najmanj gradbenih del. Tako ima vsaka turbina svoje področje, na katerem je njena uporaba edino primerna [6]. Najenostavnejša metoda izbire vodne turbine za dan pretok in padec (rdeča črta) je iz grafa (slika 4.1), ki prikazuje najprimernejšo vrsto turbine za različne padce in pretoke. Graf nam poleg vrste turbine poda tudi njeno okvirno moč. - 14 -
Slika 4.1: Področje uporabe posameznih vrst turbin (1-peltonove turbine, 2-francisove špiralne turbine, 3-francisove turbine v jašku z vodoravno gredjo, 4-francisove turbine v jašku z navpično gredjo, 3+4-propelerske turbine v cevni izvedbi, 1+2+3-bankijeve turbine) [6] - 15 -
5 IZBIRA IN PRERAČUN VODNE TURBINE 5.1 Izbira tipa rotorja Iz grafa na sliki 4.1 odčitamo, da je za padec H = 29,1 m in pretok Q = 0,0273 m 3 najprimernejša peltonova ali bankijeva turbina moči okoli 5 kw. s 5.1.1. Peltonova turbina Peltonov gonilnik ima na obodu posebno oblikovane lopatice z nožem v sredini, ki deli lopatico na dve simetrični polovici. Voda se pod tlakom skozi 1 do 6 šob, ki oblikujejo curek okroglega preseka, v simetralni ravnini gonilnika dovaja lopaticam. Nož razpolovi curek na dva dela, ki zdrsneta vsak po svoji polovici lopatice, spremenita smer, poženeta lopatico po obodu in pri tem izgubita hitrost [4]. Za regulacijo curka je v šobi nameščena igla, s pomikanjem katere reguliramo debelino curka in posledično moč turbine. Avtomatske peltonove turbine imajo poleg igle še odklonilo, ki lahko hitro odvzame del curka pri prevelikem pretoku [6]. Slika 5.1: Preprosta shema peltonove turbine [4] - 16 -
5.1.2. Bankijeva turbina [6] Po delovanju so enake peltonovim turbinam, razlikujejo pa se v konstrukcijski izvedbi. Curek pravokotnega preseka vstopa v lopatice gonilnika, razvrščene po njegovem obodu. Znotraj gonilnika voda izstopa iz lopatja, teče kot prosti curek s povečanim presekom in zmanjšano hitrostjo skozi prazen prostor v gonilniku, nakar ponovno vstopa med lopatice, preda preostanek svoje moči in izstopa iz gonilnika. Čeprav teče voda skozi lopatje dvakrat, je izkoristek slabši kot pri ostalih turbinah, saj teoretično prevzema pri prvem pretoku 68% moči vode, pri drugem pa 19%. Bankijevo turbino reguliramo s tanjšanjem curka vode bodisi s pomočjo regulacijskega jezika, ali zasuna. Prednost te turbine je samodejno čiščenje gonilnika, saj voda med izstopanjem odplakne vse kar se obesi nanj, in zelo preprosta izdelava. Slika 5.2: Preprosta shema bankijeve turbine z regulacijskim jezikom 5.1.3. Izbira Iz grafa na sliki 5.3 ugotovimo da ima boljši izkoristek peltonova turbina (5-10% na celotnem režimu obratovanja), vendar je zaradi preprostejše izdelave in vzdrževanja cenovno ugodnejša bankijeva turbina. - 17 -
Slika 5.3: Izkoristki turbin v odvisnosti od pretoka (1-francisova turbina z reguliranimi krili gonilnika, 2-francisova turbina z nizkim vodilnikom, 3-francisova turbina z visokim vodilnikom, 4-propelerska turbina, 5-peltonova turbina, 6-bankijeva turbina) [6] 5.2 Določitev glavnih dimenzij turbine Različni proizvajalci imajo velikosti bankijevih turbin različno tipizirane. V okviru diplomske naloge je bila zaradi dostopnosti podatkov izbrana tipizacija bankijevih turbin navedeni v Zgradimo majhno hidroelektrarno, 3. del: Turbine in pomožna oprema, ki zajema 12 turbin, ki se med sabo razlikujejo po premerih gonilnikov (D 1 ), dolžini šob (h) in širini šob (a o ) [6]. Iz nabora turbin določimo tisto, ki ustreza danemu pretoku in neto višinskemu padcu, s pomočjo diagrama (slika 5.4). - 18 -
Slika 5.4: Področje pretokov in padcev, ki ga pokrivajo tipizirane bankijeve turbine [6] Za višinski padec 29,1 m in pretok 0,0273 m 3 s (vrisano na sliki 5.4 z rdečo črto) je bankijeva turbina z oznako B 0,307/31x56 najprimernejša izbira. Oznaka nam podaja glavne dimenzije turbine (slika 5.5) in si jo razlagamo na naslednji način: - B - bankijeva turbina - 0,307 - zunanji premer gonilnika v metrih (D 1 ) - 31 - izstopna širina šobe v milimetrih (a o ) - 56 - dolžina izstopnega preseka šobe v milimetrih (h) - 19 -
Slika 5.5: Glavne mere bankijeve turbine [6] 5.3 Določitev gonilnika in obratovalnih karakteristik 5.3.1. Gonilnik Gonilnik je bistveni del turbine, ker z njim spreminjamo moč vode v mehansko moč. Voda oddaja svojo energijo gonilniku z zmanjševanjem svoje pretočne hitrosti in spreminjanjem smeri toka [6]. Pri tipiziranih turbinah so vse dimenzije gonilnika, prikazane na sliki 5.6 in 5.7, že določene in podane v preglednici 5.1. - 20 -
Slika 5.6: Prečni presek bankijevega gonilnika [6] Slika 5.7: Vzdolžni presek bankijevega gonilnika [6] Preglednica 5.1: Mere gonilnika bankijeve turbine B 0,307 / 31x56 v milimetrih [6] Turbina r 1 r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 z s s' s'' d g d p l p f k B 0,307 / 31x56 153,5 101,3 113 150 34,4 50 28 4 2,7 1,8 50 90 60 ~8 106-21 -
5.3.2. Vrtilna hitrost Zelo pomembno je, da turbina obratuje s pravilno vrtilno hitrostjo, saj drugače ne daje pričakovane moči. Podatek o primerni vrtilni frekvenci za izbrano bankijevo turbino odčitamo iz diagrama na sliki 5.2. Odčitana vrtilna hitrost je n = 700 min 1. 5.4 Predvidene količine proizvedene električne energije 5.4.1. Izkoristek turbine Med spreminjanjem moči vode v mehansko moč se vedno nekaj moči izgubi zaradi trenja ob stenah in v ležajih, uhajanja vode skozi špranje med gonilnikom in mirujočimi deli turbine in oblike gonilnika [6]. Hidravlični izkoristek nam pove, kolikšen del moči vode ostane kot koristna moč na vrteči se turbinski gredi. Majhne turbine dosegajo izkoristke med 76 in 84 % [6]. Bankijeve turbine imajo od vseh turbin najslabši izkoristek in se giblje med 70 in 75% v odvisnosti od zagotovljenega pretoka. Imajo pa dobro lastnost, da je izkoristek tudi pri delnih obremenitvah razmeroma konstanten (slika 5.1). Upoštevajoč, da bo turbina izdelana v domači delavnici z razpoložljivimi orodji, lahko predvidimo nekoliko nižji izkoristek. Za nadaljnje izračune smo tako predpostavili izkoristek turbine η t = 0,70. 5.4.2. Mehanska moč turbine Moč turbine lahko odčitamo iz diagrama na sliki 5.2 (~6,2 kw) ali diagrama na sliki 4.1 (~6,1 kw), vendar nam natančnejši podatek predvidene moči turbine da enačba 5.1, ki upošteva izkoristek turbine, ki je manjši od 100 %. P = g Q H n η t (5.1) P = 5,46 kw - 22 -
5.4.3. Izbira generatorja Pomembno se je izogibati nepotrebnim stroškov pri izgradnji mikro hidroelektrarne, kjer je to le mogoče. Z neposredno vezavo generatorja na gred turbine brez vmesnih dragih prenosnikov in menjalnikov se poleg stroškom za nabavo le teh izognemo tudi izgubam, ki jih povzročajo. Iz spletnega kataloga [10] sta izbrana asinhronska motorja znamke SIEMENS z oznako 1LA7 163-8AB1 in 1LA7 164-8AB1. Podatki so navedeni v preglednici 5.2. Preglednica 5.2: Podatki asinhronskih motorjev znamke SIEMENS [10] Asinhronski motor 1LA7 163-8AB1 1LA7 164-8AB1 Nazivna moč P N [kw] 4 5,5 Frekvenca f [Hz] 50 50 Nazivna hitrost vrtenja n N [min -1 ] 715 710 Izkoristek η pri 100 % obremenitvi 0,80 0,833 Faktor moči cos φ 0,72 0,73 Nazivni tok I N pri U = 400V [A] 10 13 Masa [kg] 61 70 Pomembno je preveriti ali izbrani asinhronski motor ustreza. Zato izračunamo navidezno moč asinhronskega motorja, prejeto delovno moč iz omrežja, izgube motorja, izkoristek motorja in potrebno moč na gredi turbine za pogon generatorja obeh izbranih motorjev. Rezultati so navedeni v preglednici 5.3. Navidezna moč asinhronskega generatorja: S m = 3 U I N (5.2) Prejeta delovna moč iz omrežja: P e = S m cos φ (5.3) - 23 -
Izgube asinhronskega motorja: P izg = P e P N (5.4) Izkoristek asinhronskega motorja: η m = P N P e (5.5) Potrebna moč na gredi turbine za 100 % obremenitev asinhronskega motorja: P t = P e + P izg (5.6) Sedaj preverimo kolikšna je izkoriščenost posameznega asinhronskega motorja, ki jo podaja razmerje med mehansko močjo bankijeve turbine in potrebno močjo za 100 % obremenitev asinhronskega motorja: η tt = P P t (5.7) Preglednica 5.3: Rezultati izračunov ustreznosti asinhronskih motorjev Asinhronski motor 1LA7 163-8AB1 1LA7 164-8AB1 S m [kva] 6,93 9,01 P e [kw] 4,99 6,58 P izg [kw] 0,99 1,08 η m [/] 0,802 0,836 P t [kw] 5,98 7,66 η tt [/] 0,92 0,71-24 -
Iz rezultatov je razvidno da sta oba izbrana asinhronska motorja primerna, vendar se raje odločimo za motor moči 5,5 kw, pri katerem imamo slabšo izkoriščenost in s tem boljše pogoje za več proizvodnje električne energije v primeru večje obremenitve turbine. 5.4.4. Električna energija Ko imamo izbran generator, vemo kolikšen je izkoristek pretvorbe mehanske energije na gredi v električno energijo v asinhronskem motorju in lahko izračunamo urno proizvodnjo električne energije po enačbi (5.8). E = (P η) t (5.8) E = 4,55 kw/h Teoretično bi lahko mikro hidroelektrarna obratovala neprestano 8760 ur v letu, vendar je treba upoštevati izgube koristnega obratovalnega časa na račun izpada električnega omrežja, človeškega faktorja, naravnih pojavov (močno deževje, suša,...), manjših in večjih popravil. Zato moramo predpostavimo da bo mikro hidroelektrarna obratovala vsaj 95% celotnega razpoložljivega časa v letu. Predvidena letna proizvodnja električne energije ob 95% letni izkoriščenosti: E leto = E 8760 0,95 (5.9) E leto = 37,87MW - 25 -
6 SINTEZA IN ANALIZA REZULTATOV Pri prodaji proizvedene električne energije imamo dve možnosti: - Zagotovljeni odkup (distributerju prodamo vso proizvedeno električno energijo). - Obratovalna podpora (distributer nam za električno energijo, ki jo proizvedemo in porabimo sami nudi finančno podporo). Obratovalno podporo je smiselno koristiti le v primeru, ko porabimo vso električno energijo, ki jo proizvedemo. Ker naše gospodinjstvo porabi povprečno 18 kw na dan, mikro hidroelektrarna pa bi proizvedla 109,2 kw dnevno, se je pametneje odločiti za zagotovljeni odkup. Odkupna cena za električno energijo proizvedeno v hidroelektrarni, ki ima moč manjšo od 50 kw je 105,47 EUR/MWh [15]. Za proizvedenih 37,87 MW v enem letu bi tako dobili 3994,15 EUR. To je dohodek, pri katerem še ni upoštevana električna energija, ki jo mora naše gospodinjstvo kupiti od distributerja električne energije. Pri porabi 18 kwh na dan znaša mesečna položnica 88,76 EUR, kar znaša 1065,10 EUR na leto. Čisti dobiček od prodaje električne energije proizvedene z mikro hidroelektrarno bi tako nanesel 2929,05 EUR. Kljub samostojnemu izvajanju gradbenih del in samostojne izdelave turbinskega agregata, kar precej poceni postavitev, bi celotni stroški investicije v mikro hidroelektrarno znesli približno 40 000 EUR. Ocena stroškov izgradnje je seveda groba in se naslanja na do sedaj že izračunane stroške mikro hidroelektrarne podobnih razsežnosti [14]. Če ne upoštevamo morebitnih subvencij za postavitev s strani države in Evropske unije in predpostavimo, da se cena električne energija ne bo spremenila, je vračilna doba investicije 13,7 let. Redni potrebni servisi vračilno dobo nekoliko podaljšajo. - 26 -
7 SKLEP Prispevek, k uresničitvi zadanemu dvigu pridobivanja energije iz obnovljivih virov za 27 %, bi bil skromen. Prav tako bi bil skromen prispevek k zmanjšanju emisij in porabi fosilnih goriv. Vendar če bi se pojavilo dovolj veliko zanimanje in investiranje v mikro hidroelektrarne bi, glede na neizrabljene vodne vire, ta prispevek v celoti bil precejšen. Preračun in izbira bankijeve turbine v diplomski nalogi temelji na dolgoletnem poznavanju vodostaja potoka in kratkotrajnih meritev v času normalnega nivoja vode. Za bolj točne podatke bi bilo potrebno izvesti meritve pretoka skozi vso leto v obdobju več let. Glede na trenutno zakonodajo se največje težave pojavijo pri pridobitvi vodnega dovoljenja. Poleg tega nam lahko uresničitev postavitve preprečijo naravovarstvena in ribiška društva, zaradi katerih so potrebne nadaljnje raziskave glede vpliva odvzema vode na okolje in vodne organizme. Kljub neprijetnostim s pridobivanjem dovoljenj in razmeroma dolgi vračilni dobi se investicija v postavitev mikro hidroelektrarne na potoku Sapočnica vsekakor splača, saj ko je objekt enkrat postavljen njegovo vzdrževanje ni več tako finančno zahtevno, energija ki bi jo tako proizvajali pa nima škodljivega vpliva na okolje. - 27 -
8 LITERATURA [1] Fritz J. Jack. Small and mini hydropower systems. McGraw Hill, Inc., 1984 [2] Jerkovič Božidar. Male hidroelektrarne. Maribor : EGS, 1996 [3] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Jože Puhar, jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2003 [4] Monition L., Le Nir M., Roux J.. Micro hydroelectric power stations. Paris : Masson SA, 1981 [5] Šolc Leopold. Hidroenergetski stroji in naprave. Ljubljana : Zveza energetikov Slovenije, 1968 [6] Šolc Leopold. Zgradimo majhno hidroelektrarno, 2. Izdaja. Ljubljana : Zveza organizacij za tehnično kulturo Slovenije, 1986 [7] Štular Cvetko, Anžej Mitja, Renko Slavko. Postopek pri gradnji malih hidroelektrarn s praktičnimi navodili. Kranj : Občinska raziskovalna skupnost Kranj, 1986 [8] The guide to hydropower mechanical design, Kansas City : HCI, 1996 [9] Tuma Matija, Sekavčnik Mihael. Energetski stroji in naprave: osnove in uporaba: učbenik. Ljubljana : Fakulteta za strojništvo, 2005. [10] Asinhronski motorji, TIBA elektromotorji d.o.o. (internet). Dostopno na WWW: http://www.tiba.si/files/file-8.pdf [18.08.2014] [11] Cena električne energije, Elektro Maribor d.d (internet). Dostopno na WWW: http://www.elektro-maribor.si/index.php/omrezje/84-uporabniki/ceniki [21.08.2014] [12] Ekološko sprejemljivi pretok, Uradni list republike Slovenije (internet). Dostopno na WWW: http://www.uradni-list.si/1/content?id=94816 [09.08.2014]. [13] Energetsko podnebni paket, Vladni portal z informacijami o življenju v EU (internet). Dostopno na WWW: http://www.evropa.gov.si/si/vsebina/novice/aktualneteme/2008/energetsko-podnebni-paket/ [22.07.2014] [14] Idejna zasnova izvedbe mikro hidroelektrarne na domačiji Kotnik, Simon Kotnik (internet). Dostopno na WWW: http://dkum.ukm.si/dokument.php?id=55881 [20.082014] [15] Odkup električne energije, Uradni list republike Slovenije (internet). Dostopno na WWW: http://www.uradni-list.si/1/content?id=92220 [21.08.2014] [16] Trimble GeoXT 2005, 4K Equipment LLC (internet). Dostopno na WWW: www.4kequipment.com [07.08.2014] - 28 -
[17] Vodna energija, Wikipedija prosta enciklopedija (internet). Dostopno na WWW: http://en.wikipedia.org/wiki/hydroelectricity [20.08.2014] [18] Vrstni red opravil od zamisli do rednega obratovanja MHE, Zveza društev lastnikov in graditeljev mhe Slovenije (internet). Dostopno na WWW: http://www.zdmhe.si/si/index.html [19.08.2014] [19] Zakon o podnebnih spremembah, Služba vlade republike Slovenije za podnebne spremembe (internet). Dostopno na WWW: http://www.slovenijaco2.si/arhiv11/images/stories/dokumenti/zakon_o_podnebnih_spremembah_osnutek.p df [22.07.2014] - 29 -