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, 19-21 luty 2014r.

Małe elektrownie wodne

Moc i sprawność turbin wodnych są uzależnione

od trzech parametrów: prędkości obrotowej

turbiny, wysokości spadu wody oraz natężenia

przepływu wody;

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.

ZET 2104, Nałęczów, 19-21 luty 2014r.Zasada działania elektrowni wodnej – szczytowo pompowej

Zasada działania elektrowni wodnej – wykorzystującej

energię pływów

Zasada działania elektrowni wodnej - zbiornikowej

Małe elektrownie wodne cd.

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.

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.

ZET 2104, Nałęczów, 19-21 luty 2014r.

Przykład małej elektrowni wodnej z

generatorem indukcyjnym i

multiplikatorem prędkości

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, 19-21 luty 2014r.

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 do zastosowania 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, 19-21 luty 2014r.

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).

ZET 2104, Nałęczów, 19-21 luty 2014r.

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.

ZET 2104, Nałęczów, 19-21 luty 2014r.

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.

ZET 2104, Nałęczów, 19-21 luty 2014r.

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.

ZET 2104, Nałęczów, 19-21 luty 2014r.

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, 19-21 luty 2014r.

Perspektywy rozwoju małych hydroelektrowni

Na chwilę obecną w Instytucie KOMEL trwają prace projektowe nad

hydrogeneratorami o mocach:

160 kW pracującego w zakresie prędkości obrotowej 170 – 200 obr/min

wraz z dedykowanym przemiennikiem częstotliwości,

200 kW pracującego w zakresie prędkości obrotowej 195 – 250 obr/min,

42 i 55 kW pracującego w zakresie prędkości obrotowej 180 – 200

obr/min,

Długi okres użytkowania hydroelektrowni o wyższej sprawności wytwarzania energii,

zapewni większe korzyści ekonomiczne inwestorowi,

pomimo zastosowania droższych urządzeń.

ZET 2104, Nałęczów, 19-21 luty 2014r.

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 CO2 do

atmosfery.

ZET 2104, Nałęczów, 19-21 luty 2014r.

Dziękuję za uwagę

Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL

www.komel.katowice.pl

e-mail: info@komel.katowice.pl

Al. Roździeńskiego 188,

41-203 Katowice

ZET 2104, Nałęczów, 19-21 luty 2014r.