Przykłady innowacji. wodnych. prof. dr hab. inŝ. Józef FLIZIKOWSKI WIM UTP w Bydgoszczy

Transkrypt

1 Przykłady innowacji konstrukcji małych elektrowni wodnych prof. dr hab. inŝ. Józef FLIZIKOWSKI WIM UTP w Bydgoszczy fliz@utp.edu.pl

2 Przykłady innowacji konstrukcji małych elektrowni wodnych Motywacje Teoria, rozwiązania, użyteczność hydroenergii Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki Strategia innowacji Nowa mikroturbina hydroenergetyczna Mechatronizacja w innowacji OZE Podsumowanie

3 Motywacja I UDZIAŁ INNOWACYJNYCH ROZWIĄZAŃ W PRODUKTACH W badaniach społecznych i rynkowych, w zakresie rozwojowego udziału innowacyjnych produktów na rynku, Polska zajmuje jedno z ostatnich miejsc. Źródło: VDI Nachrichten 11/07

4 Motywacja II MOC, ENERGIA, PODMIOTY I DZIAŁANIA ENERGETYCZNE Rys. Pilna potrzeba sterowania mocą (energią) systemu i otoczenia w czasie

5 Teoria, rozwiązania, użyteczność hydroenergii

6 Teoria, rozwiązania, użyteczność hydroenergii

7 Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki ENERGIA PŁYWÓW, FAL I OCEANÓW

8 Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki Światowe zapotrzebowanie na nośniki odnawialne: energetyka wodna w Mtoe (miliony ton ekwiwalentu olejowego). Tona oleju ekwiwalentnego (toe) równoważnik jednej tony ropy naftowej o wartości opałowej równej kj/kg (projekt Ustawy o efektywności ).

9 Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki Tabela Światowe zapotrzebowanie na nośniki energii, przewidywania dla roku 2010/2030 ILOŚĆ L.P. NOŚNIK ENERGII, PROCESOR 2010/2030 MLN. TON EKWIWALENTU OLEJOWEGO UDZIAŁ 2010/2030 % 1. Ropa naftowa 4.308/ ,33/34,97 2. Węgiel kam. i brunatny 2.763/ ,66/21,84 3. Gaz 2.703/ ,17/25,05 Razem konwencjonalne: 9.774/ ,16/81,86 4. Biomasa 1.264/ ,37/9,74 5. Jądrowa 778/764 6,38/4,62 6. Hydroenergia 276/365 2,26/2,22 7. Aeroenergia, wiatr i in. 101/256 0,83/1,56 Razem niekonwencjonalne: 2.419/ ,84/18,14 Zużycie i potrzeby razem: /

10 Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki ENERGIA PŁYWÓW, FAL I OCEANÓW Elektrownia fal morskich na energię elektryczną Oyster w Północnej Szkocji, klapy powoduję wzrost ciśnienia cieczy w rurach, silniku tłokowym itd. Źródło: VDI-Nachrichten 44/09

11 Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki ENERGIA PŁYWÓW, FAL I OCEANÓW Podwodna elektrownia może teoretycznie wyglądać jak na tym rysunku, w praktyce będą zupełnie inne rozwiązania konstrukcyjne ze względu na istotnie różną gęstość wody i powietrza. VDI

12 Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki ENERGIA PŁYWÓW, FAL I OCEANÓW Silny prąd morski i gęstość wody powodują znaczne różnice w cechach konstrukcyjnych turbiny wodnej i wiatrowej. Również sposób posadowienia wymaga specjalnych rozwiązań. VDI

14 Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki ENERGIA PŁYWÓW, FAL I OCEANÓW Turbina do konwersji energii prądu oceanicznego (w środku fotografii) pracuje pod wodą. Faza oczekiwania często realizowana jest nad wodą. Źródło: VDI-Nachrichten 11/07

15 Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki ENERGIA PŁYWÓW, FAL I OCEANÓW Turbina do konwersji energii prądu morskiego ruszyła w Północnej Szkocji , moc 250kW, zielone pieniądze, w środku otwór na przepływ ryb.źródło: VDI-Nachrichten 44/09

18 Potrzeby i kierunki rozwoju energetyki ENERGIA PŁYWÓW, FAL I OCEANÓW Cylindry do konwersji energii fal morskiego na energię elektryczną. Źródło: VDI-Nachrichten 44/09

19 Strategia innowacji Strategia innowacji: 1. Metateoria, 2. Odkrycie, olśnienie, 3. Praktyczna użyteczność.

20 Metateoria METATEORIA: Pływająca elektrownia

21 Odkrycie, olśnienie, obliczenia ODKRYCIE OLŚNIENIE: Konfiguracja warunkująca powstanie nowego, wyższego poziomu maszyn, urządzeń i instalacji OZE, wyłania się na skutek oddziaływania bliżej nie określonego zakresu czynników ubocznych (contingencies), istniejących poza obrębem zjawisk, które można opisać na podstawie praw (danego) starego poziomu.

22 Praktyczna, środowiskowa użyteczność PRAKTYCZNA UŻYTECZNOŚĆ: Oszczędność paliw, eliminacja strat przesyłu, napowietrzanie, ciepło, elektryczność,...

23 Metateoria Pływająca turbina, napędzająca generator, elektrownia z opcją aeracji i rozdrabniania zanieczyszczeń w cieku wodnym

24 Odkrycie, olśnienie, obliczenia Rys. Pływający silnik wodny z łopatami na obwiedni walca. Patent UTP w Bydgoszczy 2010

25 Odkrycie, olśnienie, obliczenia 1A Obszar obliczeniowy 1 2 Kierunek przepływu DNO RZEKI 1B Obszar obliczeniowy 2 Kierunek przepływu DNO RZEKI

26 Odkrycie, olśnienie, obliczenia 2A Obszar obliczeniowy Kierunek przepływu 2B Obszar obliczeniowy Kierunek przepływu

27 Odkrycie, olśnienie, obliczenia Obliczenia realizowane w przedstawionych wariantach: 1A i 1B Obliczenia pojedynczej łopatki w dolnym położeniu. W przypadku tej konfiguracji można porównać wyniki w ramach proponowanego modelu 2D. Ta sytuacja nie uwzględnia sąsiednich łopatek, co przy większej ich ilości może wpływać na szacowanie wartości sił/momentów 2A i 2B Obliczenia opływu kilku łopatek zanurzonych w wodzie. Warunki brzegowe założone zostaną jak wyżej, tzn. prędkość obrotowa elementów ruchomych. W tym przypadku wyniki będą inne niż dla 1A i 1B, ponieważ warunki opływu łopatki w dolnym położeniu są inne. Suma sił na poszczególnych łopatkach będzie inna niż wielokrotność siły dla pojedynczej łopatki. Obliczenia są złożone, ze względu na ilość łopatek/ elementów, czas przygotowania modelu do obliczeń. Rozwiązania według wariantów trzeba potraktować ewolucyjnie. Po pierwsze wariant 1A i 1B. Następnie jeśli będzie wszystko dobrze układało się to systematyczne wchodzenie, zgłębianie wariantu 2A i 2B. Prędkość obrotowa bębna jest skutkiem przejęcia energii cieku o prędkości liniowej, przez turbinę (przez obwód i łopatki turbiny) o określonej konstrukcji (geometrii) i sprzężeń hydraulicznych (z ciekiem) prędkości przepływu (prędkość przepływu cieku wodnego zakładamy zmienną w przedziale (0,1-5,5)m) i potwierdzenie: - średnica zewnętrzna D = 1 m, średnica osadzenia łopat. - promieniowa długość łopatki l = 0,6 m. Jeżeli szerokość bębna jest równa 1m, to osiowa długość łopat jest równa 1m, a szerokość/wysokość łopat, długość promieniowa może być równa 0,6m, ale trzeba zastanowić się nad zabieraniem wody (nad powierzchnię cieku), w przestrzeń międzyłopatą a tworzącą walca/bębna. Odległość pomiędzy dnem kanału a łopatką będzie mała i może być zmienna, np. w zakresie: (0,2 2,0)m

28 Odkrycie, olśnienie, obliczenia Prędkości wariant 2A głębokość 0.2 m prędkość cieku 0.1 m/s Prędkości wariant 2A głębokość 2 m prędkość cieku 0.1 m/s Prędkości wariant 2A głębokość 0.2 m prędkość cieku 5.5 m/s

29 Odkrycie, olśnienie, obliczenia Prędkość wariant 2B głębokość 2 m prędkość cieku 0.1 m/s Prędkość wariant 2B głębokość 0.2 m prędkość cieku 5.5 m/s Prędkość wariant 2B głębokość 2 m prędkość cieku 5.5 m/s

30 Odkrycie, olśnienie, obliczenia Tabela Momenty sił (Nm), zmienne prędkości przepływu i głębokości wariantów 1A, 1B, 2A i 2B Prędkość przepływu 0.1 m/s 2.7 m/s 5.5 m/s Prędkość obrotowa 1.06 obr/min 28.6 obr/min 58.4 obr/min Głębokość 0,2 m 2 m 0,2 m 2 m 0,2 m 2 m 1A B 22,5 6, Wariant 2A 2B 1,55 95 (1 łop) 9,5 9 (1 łop) 0,2-2,3 (1 łop) 4,2-0,6 (1 łop) (1 łop) (1 łop) (1 łop) (1łop) (1łop) (1 łop) (1 łop) (1 łop) F d 2 = c 0.5ρu A M = F ( 0.5L R) d d d + Obliczenia zostały wykonane programem ANSYS/FLUENT 12, c d - współczynnik oporu (przyjęto 2, odpowiednio dla liczby Re>10 5 ), ρ gęstość cieczy, u - prędkość przepływu, ulop- prędkość liniowa łopatki w 2/3 jej długości, A powierzchnia łopat, R - promień koła, L - długość łopatki, G - głębokość

31 Odkrycie, olśnienie, obliczenia Opis operacji: 1. Ustawić łopaty wg rys. 2. Spawać 3. Kontrola 4. Malować BJ2_1200 BJ3_1300 urządzenia 2. Półautomat spawalniczy MIG przyrządy Szkic operacji: sprawdz ziany przyrządy pomiarowe Zmiany Rys. Wirnik hydro-turbiny z opcją aeracji, Patent UTP Bydgoszcz 2010

32 Odkrycie, olśnienie, obliczenia ul. OkręŜna Koronowo Opis operacji: INSTRUKCYJNA Wydział: Oddział: Stanowisko: Liczba godz. Nr zespołu cecha Nr oper. Czas Obsada 1. Do osi BJ1_1100 wspawać wsporniki BJ2_ Spawać elementy płaszcza BJ2_1201 spoiną ciągła 3. Spawać tarcze BJ2_1200 spoiną ciągła 4. Sprawdzić szczelność 5. Malować BJ1_1100 BJ2_1203 BJ2_1201 Szkic operacji: BJ2_0900 urządzenia przyrz ządy 1. Półautomat spawalniczy MIG 2. Półautomat spawalniczy MIG 3. Półautomat spawalniczy MIG przyrządy pomiarowe sprawdziany Zmiany Rys. Bęben wirnika hydro-turbiny z opcją aeracji, Patent UTP Bydgoszcz 2010

33 Odkrycie, olśnienie, obliczenia Opis operacji: 1. Ciąć wg wymiarów rozwinięcia ze zukosowaniem 2. Giąć wg rysunku 3. Kontrola cecha Nr oper. Czas Obsada urządzenia 1. Wycinarka plazmowa MESSER OmniMat L Hydrauliczna prasa krawędziowa SMD tandem 2xPPB C Szkic operacji: prz zyrządy sprawdziany przyrządy pomiarowe Rys. Płyta łopaty wirnika hydro-turbiny z opcją aeracji, Patent UTP Bydgoszcz 2010

34 Praktyczna, środowiskowa użyteczność Rys. Hydro-turbina z opcją aeracji podczas badań wstępnych, Patent UTP Bydgoszcz 2010

35 Praktyczna, środowiskowa użyteczność

36 Praktyczna, środowiskowa użyteczność Rys. Hydro-turbina z hydraulicznym podnoszeniem i opuszczaniem wirnika

39 Praktyczna, środowiskowa użyteczność Rys. Hydro-turbina z hydraulicznym podnoszeniem i opuszczaniem wirnika różne warianty osadzenia

40 Praktyczna, środowiskowa użyteczność Rys. Hydro-turbina z hydraulicznym podnoszeniem i opuszczaniem wirnika różne warianty osadzenia

41 Praktyczna, środowiskowa użyteczność Rys. Hydro-turbina z hydraulicznym podnoszeniem i opuszczaniem wirnika osadzenie w kanale

44 Praktyczna, środowiskowa użyteczność Rys. Hydro-turbina z hydraulicznym podnoszeniem i opuszczaniem wirnika osadzenie w kanale i na rzece

45 Mechatronizacja w innowacji OZE MOC, ENERGIA, PODMIOTY I DZIAŁANIA ENERGETYCZNE Rys. Pilna potrzeba sterowania mocą (energią) systemu i otoczenia w czasie

46 Mechatronizacja w innowacji OZE Zapewnienie bezpieczeństwa i stałości dostaw energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (OZE) w dowolny rejon oraz w dowolnym czasie jest możliwe poprzez wprowadzenie aktywnego monitorowania, np. systemu CPP (the combined power plants), inteligentnej sieci łączącej różne instalacje generujące energię elektryczną. Opracowany system CPP łączy i kontroluje 36 instalacji wiatrowych, solarnych, biomasowych oraz wodnych rozmieszczonych w różnych regionach Niemiec. Rozwiązanie CPP jest równie niezawodne jak stosowanie konwencjonalnych elektrowni dużych mocy. Zastosowanie systemu CPP wykazuje, że poprzez wspólny system sterowania, kontroli małych zdecentralizowanych elektrowni, możliwe jest dostarczanie energii elektrycznej odpowiednio do potrzeb.

47 Mechatronizacja w innowacji OZE Rys. Algorytm aktywnego monitorowania obiektów technicznych (pozyskania, przetwarzania, przesyłania i użytkowania energii); IW-interfejs wykonawczy, OT- obiekt techniczny, IACU- interfejs akwizycji z charakterystykami użytkowymi, MOD- modelowanie, SI-sztuczna inteligencja optymalizacji, SS- system sterowania, SM system monitorowania, RD- rynek danych

48 Mechatronizacja w innowacji OZE Fotowoltaika Combined Power Plants (Central Control Unit) Potrzeby konsum. Prognoza Moc, energia El. wiatrowe Prognoza Prognoza Moc, energia Moc, energia Moc, energia Biogazownie Mapa drogowa/dopasowanie Moc, energia Hydroenergetyka Możliwości wytwórców Rys. Sterowanie źródłami rozproszonymi dla zrealizowania prognozowanego i rzeczywistego łącznego zapotrzebowania mocy

49 PODSUMOWANIE 1. Wykorzystanie innowacyjnej turbiny hydroenergetycznej z opcją aeracji dotyczy warunków cieku wodnego, w przypadku wariantów 1A i 2A, o dostatecznie dużej głębokości kanału, czyli odległości dolnej łopatki od dna. Wyznaczone siły i momenty wskazują na wyraźny wpływ głębokości kanału na uzyskiwane wartości. Moment siły rośnie wraz ze zmniejszająca się głębokością. 2. W przypadku wariantu 1B i 2B opływ łopatek od strony dolnej kanału i górnej wywołuje olśnienie o możliwości zmiany zwrotu obrotów koła wodnego na przeciwny, szczególnie dla jego dużych prędkości liniowych (np. 5,5 m/s). 3. Struktura przepływu wskazuje na konieczność rozszerzenia obliczeń i koncypowania rozwiązań bębnowych z pojedynczą i licznymi łopatkami skośnymi, daszkowymi lub w postaci linii śrubowej na tworzącej walca/bębna. 4. Obliczenia i koncypowanie powinny (dotyczyć) uwzględniać przepływ wzdłużny lub tylko kątowy (horyzontalnie) w stosunku do osi bębna, dalej: koncepcję turbiny śrubowej (Archimedesa) z walcem/bębnem, częściowo wyporowym (np. o regulowanym, wertykalnym kącie naporu na ciek wodny), o osiowym przepływie przez turbinę z ewentualnym dyfuzorem wejścia.

50 Prezentacja powstała w ramach projektu realizowanego przez AIRON Investment Anna Niemczewska, pt. Budowa i produkcja innowacyjnej turbiny hydroenergetycznej z opcją aeracji. PKWiU 24.33, Projekt jest współfinansowany ze środków EFRR w ramach POIG , Działanie 1.4 Wsparcie projektów celowych Działanie 4.1 Wsparcie wdrożeń wyników prac B+R. Umowa nr POIG /09; POIG /09.

51 Przykłady innowacji konstrukcji małych elektrowni wodnych

52 Mobilna elektrownię wodną według pomysłu z Magdeburga poddaje się badaniom próbnym. Badania prowadzone są ze środków Landowego ministerstwa gospodarki w ramach programu ZIM- Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand. Źródło: VDI- Nachrichten32/