Technická fakulta ČZU Praha Autor: Martin Herčík Semestr: letní 2009
Vodní elektrárna Srdcem malé vodní elektrárny DVE je odvalovací bezlopatkový tekutinový motor Setur, pracující na základě hydrodynamického principu. Celá vodní elektrárna je v kompaktním provedení a skládá se ze základny, přivaděče, komory s turbínou Setur, hřídele, převodu a generátoru. Konstrukce vyhovuje i krytí TH2 pro tropické oblasti. Rotor se roztáčí protékající vodou a svým hladkým povrchem kontaktně obíhá (odvaluje se) po vnitřní stěně konfuzoru, hřídel je ve své horní části upevněná tak, aby se mohla úhlově vychylovat. Součástí uchycení hřídele je převod na pomaluběžný synchronní generátor (alternátor) pro napětí 12 nebo 24 V, s optimálním počtem ot/min. Domácí mikroturbína DVE 120 je vybavena synchronním generátorem s buzením 20 permanentními magnety.
Konstrukční schéma:
Výpočty:
Technická data: Výkonový rozsah: 35 - 750 W Otáčky: 130 ot/min Výstupní napětí: 12/24 V Spád: 2 – 20 m Průtok: 4 – 20 l/s Hmotnost: 63 kg Životnost: min. 10 let
Návrh hřídele turbiny: materiál hřídele 1 volím 11600. Poměr d/D vzhledem tomu, že vnitřní průměr je 0, je též 0. n 1 := 130⋅ kHz
P := 0.75kW
τdkIII := 28MPa
Dle přílohy I sriprt části strojů
Předběný návrh hřídele: M k := 9550⋅
P n1
Mk Wk := τdkIII 3
d 1 :=
Wk 0.2
M k = 55.096⋅ N⋅ m −3
Wk = 1.968 × 10
d 1 = 21.428⋅ mm
L
d 1 := 25mm
Průměr hřídele volím 25 mm, protože ještě bude namáhána kromě krutu na ohyb a nejbližší vyšši průměry ložisek, které se běžně prodávají jsou 25mm.
Schéma instalace vodní elektrárny:
Pro spotřebiče na 230 V/50 Hz se hydromotor doplňuje AKUMULÁTOROVOU BATERIÍ a NAPĚŤOVÝM MĚNIČEM typu 12-24 V/230 V, 50 Hz. PROVOZNÍ NÁKLADY Bude-li uvažována životnost zařízení 10 let jako minimální, pak přichází v úvahu: 1x výměna - Akumulátor 42 Ah 2 500 Kč Výměna rotoru po 2 letech = 5 ks 2 000 Kč Spád vody H [m] H = 5m Průtok vody Q [l/s] Q = 8 l/s
Stanovení trvalého výkonu elektrického zdroje účinnost turbíny mechanická: hM = 0,7 (70 %) účinnost generátoru: hG = 0,5 (50%) koeficient hydraulických ztrát přívodního potrubí: 0,765
Elektrickývýkon PEL: PEL = g * Q * H * hM * hG * 0,765 = PEL = 9,81 * 8 * 5 * 0,7 * 0,5 * 0,765 = 105 W PEL = 105 W Výkon generátoru: 120 W Napětí na svorkách: 3x 24 V střídavé Generátor: 3 - fázový synchronní
Energetická bilance spotřeby elektrické energie:
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~ 230 V, 50 Hz Ze 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 24 V: 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. 6mm2, při délce maximálně 8m (rozumí se od akumulátoru do střídače), při proudové hustotě 2,5 A/mm2.
Blokové schéma celé soustavy může vypadat zhruba následovně:
Závěr: 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 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.
Použitá literatura: (1). časopis Energie 21 3/2008 vydavatelství: Profi Press s.r.o. (2). http://www.vinohradnictvo.sk (3). http://www.mechanikakd.cz (4). http://lea.ecn.cz
