Vodní miniturbíny

Mikroturbína Setur je vodní motor, který má původ v ČR. Využívá nový hydrodynamický princip, který spočívá v odvalování tělesa osově symetrického tvaru ve výtokovém konfuzoru. Rotorem je obyčejně dutá polokoule nebo dutý komolý kužel.Má velmi jednoduchou konstrukci a dosahuje účinnosti okolo 40 – 70 %. Zařízení je vhodné pro velmi malé vodní zdroje a ostrovní provoz, kdy vyrobená energie je akumulována a spotřebována v místě výroby. Může také pracovat s průtokem stovek litrů vody za sekundu při spádu cca 1 metr.

 

Setur je patentově chráněn ve většině průmyslových zemích světa. Získal řadu domácích i zahraničních ocenění, např. první místo v soutěži o nejúspornější technologii v rámci mezinárodní konference EEBW Praha 2002, ocenění zlatý výrobek v oboru energetika na veletrhu Elektrotechnika 2003 Ostrava, první místo v soutěži o cenu inovace roku 2006, třetí místo na 6. mezinárodní výstavě vynálezů v Suzhou v Číně 2008, bronzovou medaili na Jubilejním 60. mezinárodním veletrhu IENA – Nápady – patenty – nové výrobky, Norimberk Německo 2008. V roce 2009 byla mikroturbína Setur úspěšně představena na mezinárodním veletrhu Hannover Messe 2009, na mezinárodní konferenci o udržitelném rozvoji v Bruselu, byla oceněna druhým místem v soutěži Platformy podnikatelů pro zahraniční rozvojovou spolupráci v kategorii Technologie pro vodní energii, získala zlatou medaili na výstavě Genius Europe v Budapešti, atd.

Každý vodní motor je charakteristický určitými parametry, které ho předurčují k takovému použití, při kterém budou jeho přednosti uplatněny a „nedostatky" potlačeny. Nejinak je tomu i u mikroturbíny s názvem Setur, která je zaměřena na využívání mikropotenciálu vodní energie, který je představován spádem cca 3,5 - 20 metrů a průtokem v intervalu 4-15 litrů vody za sekundu.

Při těchto parametrech průtoku je možné v praxi jen velmi obtížně uvažovat s instalací nějaké běžné komerční turbíny. Její návratnost by byla mnoho let, nebo vůbec žádná. Každý spotřebitel proto musí hledat pro své podmínky takové zařízení, které mu bude poskytovat užitečný výkon a které se mu v ekonomickém smyslu dokáže za určitou dobu používání vrátit.
Při všech těchto naznačených úvahách obyčejně hraje roli i účinnost vodního motoru, to znamená schopnost přeměňovat energii, která do něj vstupuje, na užitečný mechanický a následně elektrický výkon. Parametr účinnosti vodní turbíny však nesmíme v žádném ohledu přeceňovat, neboť určující pro spotřebitele musí být užitečný výkon, který spotřebitel požaduje, spolu s parametrem ekonomické návratnosti instalovaného stroje. Představme si, že máme k dispozici vodní zdroj s průtokem stabilně 8 litrů vody za sekundu a spádem 5 metrů. Teoretická energie, kterou tyto parametry představují, je přibližně 390 W. Jestliže budeme mít potrubní přivaděč k turbíně navržen a proveden velmi ideálně, bez zbytečných ztrát (např. 9 %), pak můžeme na vstupu do vodního motoru uvažovat s energií cca 350 W.

Z měření a výpočtu bylo stanoveno:
Spád:                                      H = 3,55m
Hltnost SETUR                       Q= dle grafu (l/s)
Celková ztrátová výška:           hr= 0,1948 m, 15,48 % H
Užitný spád:                            Hv = 3,3S5m

Teoretický energetický potenciál zdroje:
Pt = 9,81 x Q x Hv = 9,81 x 5,9 x 3;355 = 194,18 W
Účinnost ozub. převodu 95%        Pti = 184,47 W
Účinnost generátoru 50 %             Pt2 = 92,237 W
Max. výkon z generátoru              Pmox = 61
Potom mechanická účinnost SETUR:
ÉTAISET = 61,2/92,237 = 0,6635 = cca 0,66

Použijeme-li mikroturbínu SETUR, která dokáže tento potenciál přeměňovat na užitečný výkon  s účinností 60 %, pak budeme získávat 210 W mechanického výkonu a budeme-li mít k dispozici generátor pracující s účinností 50 %, potom lze získat cca 110 W elektrické energie. Za 24 hodin je to energie cca 2,64 kWh a za 300 dní provozu je to 792 kWh elektrické energie. To, že popisovaný výstup dokáže mikroturbína SETUR vyprodukovat, dokládá přiložený graf měření. Účinnost byla ověřena výrobcem na spodní hranici použitelnosti soustrojí DVĚ 120 při podmínkách: spád 3,55 m, průtok 4,6 - 7,3 litrů vody za sekundu. Připomínáme, že tyto parametry jsou v praxi prozatím nevyužívány, přičemž elektrický výkon 100 W plně dostačuje k pokrytí běžné (základní) spotřeby malého objektu.

Během vývoje byla SETUR pravidelně ověřována v podmínkách výrobce, a to jako DVĚ 120 na vlastním zkušebním zařízení v uzavřeném okruhu vody. Umělý spád je vytvořen ocelovou konstrukcí nesoucí nádrž o objemu 1,5 m3 a DVĚ je instalována ve sběrné nádrži. Rozdíl hladin je udržován oběžným čerpadlem na hodnotě 3,55 m. DVĚ je napojena potrubím DN 90, délky 3,75 m přes ventil a přechodové potrubí s konfuzorem. Měření je prováděno na odporové zátěži usměrněného napětí generátoru, jehož účinnost je v rozsahu  provozních otáček cca 50%.

                 

Závěr
Graf charakteristického průběhu jednotlivých veličin spojuje vlastnosti SETUR a použitého generátoru. Pro DV 120 dostatečně vypovídá o celé koncepci energetického řetězce,     určeného pro zpracování mikroparametrů vodních zdrojů, a to i z pohledu cenové dostupnosti a vložených nákladů výrobce, kdy koncepce byla především směřována k použití v lokalitách bez možnosti dodávky elektrické energie.

Priklad: Turbina jako zdroj pro chatu

Dodávky elektrického proudu do chaty bez připojení k rozvodné síti
V následujícím příkladě uvážíme použití v případě dodávky elektrického proudu do chaty bez připojení k rozvodné síti (nutnost vlastní výroby). Nesmíme zapomenou, že před vlastní instalací DVE je nutné vyřešení všech majetkoprávních vztahů k lokalitě, včetně vodoprávního povolení a stavebního povolení. Naše výchozí situace může být podobná té na obrázku.

Pro naše rozhodnutí o zamýšlené instalaci DVE je nutno provést energetickou bilanci
zdroje elektrické energie a naší spotřeby elektrické energie.

Energetická bilance vodního zdroje
V terénu, kde je postavena "naše" obytná jednotka, provedeme hrubé stanovení potenciálu výroby elektrické energie z vodního zdroje, ze kterého budeme DVE napájet.
Stanovíme 2 hlavní údaje:

Spád vody H [m]
Zjednodušeně odměříme rozdíl horní hladiny (místo, kde bude instalován vstup do potrubí) a dolní hladiny (místo, kde bude DVE instalována). Pro náš příklad bylo naměřeno: H = 5m

Průtok vody Q [l/s]
Stanovíme v místě instalace DVE, a to alespoň provedením několika měření, např. naplňováním nádoby (sudu) známého objemu a stopkami odměřujeme čas, za který se vždy nádoba naplní. Pro náš případ bylo naměřeno (sud, objem 200 l; průměrný čas naplnění: 25 s, průtok vody: Q=200/25=8 l/s) Q = 8 l/s

Stanovení trvalého výkonu elektrického zdroje
Za předpokladu, že celý objem vody proteče turbínou a vykoná práci, vypočteme očekávaný výkon na výstupních svorkách generátoru takto:

Konstanty
účinnost turbíny mechanická: hM = 0,7 (70%)
účinnost generátoru: hG = 0,5 (50%)
koeficient hydraulických ztrát přívodního potrubí: 0,765

Elektrický výkon PEL:
PEL= g * Q * H * hM * hG * 0,765 =
PEL= 9,81 * 8 * 5 * 0,7 * 0,5 * 0,765 = 105W
PEL= 105 W

Náš vodní zdroj je schopen přeměnit svůj energetický potenciál v elektrický výkon na generátoru 105 W. Turbína SETUR proto bude opatřena generátorem s následujícími parametry:

Výkon generátoru: 120 W
Napětí na svorkách: 3x 24 střídavé
Generátor: 3 – fázový synchronní

Energetická bilance spotřeby elektrické energie
Základem pro výpočet je "naše" účelné rozmístění spotřebičů s jejich výkony nebo spotřebami tak, jak je patrné z obrázku. Současně si stanovíme i předpokládanou dobu jejich denního provozu. Údaje si napíšeme do tabulky a provedeme výpočet spotřeby.   

              

Dimenzování baterií, měniče a rozvodů
Po stanovení denní spotřeby (viz. tabulka) si zvolíme systémové napětí akumulátorů (12 V nebo 24 V DC). Z pohledu ztrát ve vedení volíme napětí vyšší: USYST=24 V - následně vypočítáme základní kapacitu akumulátorové baterie CA [Ah]:
Ca = Ad/Usyst = 1899/24 Ah = 79,125

Takto vypočtená kapacita akumulátoru (baterie) odpovídá nepřetržitému pracovnímu režimu DVE, a to bez kapacitní rezervy a také bez ohledu na hloubku jeho vybití. Pro jistotu budeme uvažovat denní odstávku DVE max. 0,5 hodiny. Stanovíme si koeficient pro nárůst kapacity akumulátoru:
kA= 24 / (24 - 0,5) = 1,021

Za účelem šetrného provozu akumulátoru nesmí být hloubka jeho vybití větší než 50 %. Proto koeficient hloubky vybití bude:
hV = 0,5

následně vypočítáme optimální kapacitu akumulátoru pro provoz našich spotřebičů
C = CA* kA / hV = 79,125 * 1,021 / 0,5 = 161,617 Ah

Z dostupného výběru typů akumulátorů zvolíme sestavu 2 kusů akumulátorů se jmenovitou kapacitou 80 Ah s napětím 12 V v sériovém zapojení: C=160 Ah, výstupní napětí obou akumulátorů U = 24 V (odpovídá USYST).

Abychom mohli provozovat současně energeticky nejnáročnější spotřebiče, je nutné stanovit i vhodný výkon střídače pro vlastní síť 1~ 230V, 50 HzZe spotřebičů např. vybereme:
Chladnička – 55 W
Čerpadlo – 180 W
Televizor – 50 W
Světlo – 13 W
Celkem – 298 W

Z uvedeného je zřejmé, že minimální výkon střídače napětí bude nutno zvolit, při systémovém napětí 24V:
Pstř. = 300 W

Proudový odběr bude kryt z části z akumulátorů a z části z výkonu DVE jako zdroje. Proud na stejnosměrné straně střídače bude:
Istř. = PM / USYST = 300 / 24 = 12,5 A

S ohledem na již velký proud v přívodu do střídače je nutné i správně dimenzovat vedení. V našem případě vyhoví pro předpokládanou ztrátu do 3 % ve vedení použít pro oba přívodní vodiče (+,-) do střídače vodiče průřezu min. 6 mm2, při délce maximálně 8 m (rozumí se od akumulátoru do střídače), při proudové hustotě 2,5 A/mm2.

Legenda
vodní turbína Setur
generátor 3*24 V synchronní
usměrňovač s regulátorem napětí pro šetrné dobíjení akumulátorů
střídač 24 V stejnosměrných na 230 V, 50 Hz AC
akumulátor
stabilizační zátěž
soubor spotřebičů
rozvodná přechodová skříň

Závěrem
Tím je naše energetická bilance spotřeby, návrh kapacity akumulátoru a stanovení výkonu střídače dokončeno. Pro vlastní jistotu ověříme možnosti zdroje (DVE) na redukovaném denním výkonu pro časový úsek od 600 - 2400, tj. pro 18 hodin.Ad = 1899 Wh / den = 24 hodin
Adr = 1899 Wh / 18 hodin -> stanovíme trvalý redukovaný výkon při provozu "naší" obytné jednotky:
P18 = Ad / 18 = 1899 / 18 = 105,5 W
DVE dle našeho úvodního výpočtu dává trvalý výkon PEL= 105 W

Porovnáním výpočtů a údajů z odstavců "A" a "B" jsme došli k závěru, že výkon zdroje elektrické energie vyhovuje naší provozní potřebě. V případě, že je vypočítaný údaj P18 > PEL (větší) více než o 5 %, je nutné představu o provozování "naší" obytné jednotky znovu prověřit, a to úpravami v tabulce.

 

 

H      Spád     vody	Q Průtok	P Výkon
optimalní (m) 3 - 10	optimalní (l/s) 4 - 12	mechanický	elektrický
		(W) * 60 -760	(W) ** 35 - 450