MAŁE ELEKTROWNIE WODNE JAKO ŹRÓDŁO ENERGII ODNAWIALNEJ

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "MAŁE ELEKTROWNIE WODNE JAKO ŹRÓDŁO ENERGII ODNAWIALNEJ"

Karolina Sikorska
8 lat temu
Przeglądów:

1 MAŁE ELEKTROWNIE WODNE JAKO ŹRÓDŁO ENERGII ODNAWIALNEJ mgr inż. Paweł Pistelok dr inż. Robert Rossa INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL Zarządzanie Energią i Teleinformatyką ZET 2014 ZET 2104, Nałęczów, luty 2014r.

Małe elektrownie wodne W polskich warunkach hydrologicznych, energia wodna może być wykorzystywana głównie w mikro hydroelektrowniach o mocy do 100 kw i mini hydroelektrowniach o mocach do kilkuset

2 Małe elektrownie wodne W polskich warunkach hydrologicznych, energia wodna może być wykorzystywana głównie w mikro hydroelektrowniach o mocy do 100 kw i mini hydroelektrowniach o mocach do kilkuset kw. Moc i sprawność turbin wodnych są uzależnione od trzech parametrów: prędkości obrotowej turbiny, wysokości spadu wody oraz natężenia przepływu wody; Zasada działania elektrowni wodnej - zbiornikowej Zasada działania elektrowni wodnej szczytowo pompowej Zasada działania elektrowni wodnej wykorzystującej energię pływów ZET 2104, Nałęczów, luty 2014r.

3 Małe elektrownie wodne cd. Turbiny śmigłowe, przy zadanej prędkości obrotowej, uzyskują wysoką sprawność tylko przy ściśle określonych wartościach spadu wody i natężenia przepływu. Już stosunkowo niewielkie odchyłki któregoś z tych parametrów od wartości optymalnych dla danej prędkości powodują znaczny spadek sprawności turbiny. W celu utrzymania wysokiej sprawności wytwarzania energii elektrycznej przez hydrozespół z tanią turbiną śmigłową, niezależnie od aktualnych warunków wodnych, w jakich działa elektrownia, konieczna jest regulacja prędkości obrotowej tej turbiny. Regulacja prędkości nie jest jednak możliwa do przeprowadzenia w przypadku klasycznego rozwiązania hydroelektrowni z generatorem asynchronicznym wpiętym bezpośrednio do sieci. W większości aktualnie działających w kraju małych hydroelektrowniach stosowane są trójfazowe generatory asynchroniczne z wirnikami klatkowymi, które w obecnych rozwiązaniach hydroelektrowni są podłączone do sieci energetycznej bezpośrednio, prostym odłącznikiem. Przykład małej elektrowni wodnej z generatorem indukcyjnym i multiplikatorem prędkości

4 Małe elektrownie wodne z generatorem indukcyjnym Głównymi wadami stosowanych obecnie rozwiązań mini i mikro hydroelektrowni są: praca turbiny wodnej przy stałej prędkości obrotowej i tym samym nieoptymalne, nisko sprawne wykorzystanie turbiny z uwagi na brak możliwości dostosowania jej prędkości do zmieniających się warunków pracy (zmiana natężenia przepływu lub wysokości spadu wody); wymagane przekładnie mechaniczne ograniczają dodatkowo sprawność wytwarzania energii oraz w całym układzie prądotwórczym turbina-przekładnia-generator charakteryzują się najniższą niezawodnością i koniecznością stosunkowo częstego przeprowadzania przeglądów technicznych, co podnosi koszt eksploatacji hydroelektrowni. Przekładnie mechaniczne są także istotnym źródłem hałasu w hydroelektrowniach oraz stwarzają niebezpieczeństwo skażenia wody środkami smarującymi koniecznymi przy ich eksploatacji; bezpośrednie załączanie generatorów asynchronicznych do sieci powoduje przepływ prądów rozruchowych, co wiąże się z chwilowymi znacznymi spadkami, odkształceniem i asymetrią napięć w sieci. W polskich warunkach hydrologicznych, z uwagi na brak odpowiednio dużych zbiorników gromadzących wodę, istnieje konieczność częstych łączeń generatorów do sieci, co skutkuje istotnym obniżeniem, jakości dostaw energii dla okolicznych odbiorców; brak możliwości autonomicznej pracy na wydzieloną grupę odbiorników; konieczność poboru mocy biernej z sieci lub instalacji baterii kondensatorów. ZET 2104, Nałęczów, luty 2014r.

5 Nowy zespół prądotwórczy generator z magnesami trwałymi W instytucie KOMEL planuje się opracowanie koncepcji i modeli oraz przetestowanie, a w perspektywie wdrożenie do produkcji w kraju, nowoczesnego, wysokosprawnego zespołu prądotwórczego, przeznaczonego dozastosowania w małych hydroelektrowniach. Głównymi elementami nowego rozwiązania zespołu prądotwórczego będą wolnoobrotowy generator synchroniczny z magnesami trwałymi, pracujący z tą samą prędkością obrotową, co turbina wodna oraz dedykowany przemiennik częstotliwości wraz z odpowiednim oprogramowaniem sterującym całym zespołem. Podstawowymi cechami nowego rozwiązania zespołu prądotwórczego dla hydroelektrowni będzie: wprowadzenie możliwości płynnej regulacji prędkości obrotowej turbiny wodnej w szerokim zakresie, stosownie do aktualnych zmian warunków wodnych, w jakich pracuje turbina; zastąpienie generatora asynchronicznego z wirnikiem klatkowym wysokosprawnym generatorem synchronicznym z magnesami trwałymi; wyeliminowanie przekładni mechanicznej (multiplikatora prędkości) miedzy turbina wodną a generatorem; oddawanie mocy do sieci przy wysokim współczynniku mocy cosφ~1. ZET 2104, Nałęczów, luty 2014r.

6 Nowy zespół prądotwórczy przemiennik częstotliwości Dzięki zastosowaniu przemienników częstotliwości sterowanych odpowiednim, nowoopracowanym oprogramowaniem (algorytmem), uzyska się m.in. następujące korzyści: możliwość regulacji prędkości turbiny; możliwość programowego sterowania współczynnikiem mocy cosφ i pracy z cosφ~1; bezproblemowe przyłączanie generatora do sieci przesyłowej (wyeliminowanie problemów związanych z koniecznością synchronizacji generatora z siecią); możliwość programowej kontroli i ograniczania zawartości wyższych harmonicznych w napięciu wyjściowym przemiennika; możliwość pracy hydroelektrowni autonomicznie w sieciach wydzielonych (zamkniętych).

7 Modelowy hydrozespół prądotwórczy W Instytucie Komel w ramach projektu pt. Wysokosprawne zespoły prądotwórcze dla małych hydroelektrowni, realizowanego w konsorcjum naukowo-przemysłowym w składzie Instytut KOMEL, spółka ENEL-PC oraz ZME EMIT Żychlin, zaprojektowano i wykonano modelowy hydrozespół dedykowany do pracy w małych elektrowniach wodnych z możliwością płynnej regulacji prędkości obrotowej turbiny śmigłowej stosownie do zmian warunków hydrologicznych.

8 Modelowy hydrozespół prądotwórczy - badania W wyniku przeprowadzenia badań laboratoryjnych modelowego hydrogeneratora otrzymano jego charakterystykę sprawności. Zestawiono ją z przykładową maszyną indukcyjną pracującą w elektrowni wodnej o porównywalnej mocy co generator wzbudzany magnesami trwałymi. Modelowy hydrogenerator został zaprojektowany z uwzględnieniem współpracy z dedykowanym przemiennikiem częstotliwości o mocy 20 kw.

9 Wymagania stawiane hydrogeneratorom we współpracy z przekształtnikiem energoelektronicznym W wyniku współpracy generatora wzbudzanego magnesami trwałymi z dedykowanym przemiennikiem częstotliwości koniecznym jest uwzględnienie na etapie projektowym specyficznych warunków pracy: Zaprojektowanie generatora mającego sprawność w szerokim zakresie obciążenia w zadanym zakresie prędkości obrotowej, Zaprojektowanie generatora z uwzględnieniem dopuszczalnych poziomów napięcia dla przemiennika częstotliwości w zadanym zakresie prędkości obrotowej, Praca przy współczynniku mocy rzędu cos φ ~ 0.95; Zaprojektowanie maszyny z odpowiednim zapasem cieplnym z uwagi na straty dodatkowe wynikające z wyższych harmonicznych.

10 Wymagania stawiane hydrogeneratorom we współpracy z przekształtnikiem energoelektronicznym cd. Przebieg czasowy napięcia (kolor niebieski) i prądu (kolor zielony) obciążenia modelowego hydrogeneratora wzbudzanego magnesami trwałymi współpracującego z dedykowanym przemiennikiem częstotliwości ZET 2104, Nałęczów, luty 2014r.

11 Perspektywy rozwoju małych hydroelektrowni Na chwilę obecną w Instytucie KOMEL trwają prace projektowe nad hydrogeneratorami o mocach: 160 kw pracującego w zakresie prędkości obrotowej obr/min wraz z dedykowanym przemiennikiem częstotliwości, 200 kw pracującego w zakresie prędkości obrotowej obr/min, 42 i 55 kw pracującego w zakresie prędkości obrotowej obr/min, Długi okres użytkowania hydroelektrowni o wyższej sprawności wytwarzania energii, zapewni większe korzyści ekonomiczne inwestorowi, pomimo zastosowania droższych urządzeń.

12 Podsumowanie Najistotniejszymi korzyściami z realizacji projektu opracowania nowych wysokosprawnych hydrozespołów będą: znaczne zwiększenie sprawności wytwarzania energii w modernizowanych lub nowobudowanych małych hydroelektrowniach; Rozpowszechnienie nowego rozwiązania przełoży się w przyszłości na znacznie efektywniejsze wykorzystanie krajowych zasobów hydroenergetycznych; Zastosowanie generatorów z magnesami trwałymi przyłączanych do sieci przesyłowej za pośrednictwem przemienników częstotliwości spowoduje znaczące podniesienie sprawności wytwarzania energii elektrycznej w małych hydroelektrowniach; zmniejszenie zużycia paliw kopalnych (np. węgla) do produkcji energii elektrycznej w kraju, co wiąże się z bezpośrednią redukcją emisji CO 2 do atmosfery.

13 Dziękuję za uwagę Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL info@komel.katowice.pl Al. Roździeńskiego 188, Katowice

Podobne dokumenty

MEW Z WYSOKOSPRAWNYM GENERATOREM SYNCHRONICZNYM WZBUDZANYM MAGNESAMI TRWAŁYMI

MEW Z WYSOKOSPRAWNYM GENERATOREM SYNCHRONICZNYM WZBUDZANYM MAGNESAMI TRWAŁYMI Autorzy: Jakub Bernatt, Robert Rossa, Paweł Pistelok - Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL ("Energetyka Wodna" -