ЕLЕKТRОТЕHNIČKI FАKULТЕТ UNIVЕRZIТЕТ ISТОČNО SАRАЈЕVO
MALE HIDROELEKTRANE PROJEKAT 2
Studi је је: I ciklus Оds јеk: Elektroenergetika Studеnt: Ernad Šabanović , 1186
Меntоr: Mr. Nada Bajić
Istоčnо Sаrајеvо, avgust, 2014.
Male hidroelektrane
SАDRŽАЈ: 1
UVОD ........................... ........................................... ................................ ................................ ............................... ............................... ................................ ........................... ...........1
2
PREDNOSTI I MANE MALE HE .......................................................................................... 2
3
TIPOVI MALIH HIDROELEKTRANA .................................................................................. 2 3.1
Protočne male HE .............................. .............................................. .............................. .............................. ................................. ............................... .................. 3
3.2
Male HE sa akumulacijom ................................................................................................. 5
4
SNAGA HIDROELEKTRA HIDROELEKTRANE NE ................................ .............................................. .............................. ................................. ............................... .................. 7
5
MJERENJE PROTOKA I PADA ............................................................................................ 8
6
5.1
Mjerenjem rezervoarom .................................................................................................... 8
5.2
Mjerenjem plovkom i popre čnog presjeka ......................................................................... 9
5.3
Mjerenje pomo ću pregrade pregrade .............................. .............................................. ................................ .............................. .............................. .................... ....9
5.4
Mjerenje Mjerenje pada.............................. ............................................ .............................. ................................ ............................... ............................... ....................... ....... 10
IZBOR OSNOVNE OPREME ZA MALE HE ....................................................................... 12 6.1
Hidrauličke turbine turbine............................. ............................................. .............................. .............................. ................................. ............................... ..............12
6.1.1
Princip izbora hidrauli čke turbine ............................................................................. 15
6.2
Izbor generatora .............................................................................................................. 16
6.3
Upravljački sistemi sistemi ............................. ............................................. .............................. .............................. ................................. ............................... ..............19
7
INVESTICIONI TROŠKOVI ................................................................................................ 20
8
ZAKLJUČAK .............................. ............................................ .............................. ................................ .............................. .............................. ............................. .............23
9
LITERATURA LITERATURA .............................. .............................................. ................................ ............................... ............................... ................................ ......................... .........24
ii
Male hidroelektrane
1 UVОD Globalni razvoj društva je uveliko povezan sa obezbje đivanjem električne energije. Trend rasta potreba na svjetskom nivou iznosi oko 2,8 % godišnje. Ako se uzme proizvodnja elektri čne energije samo iz konvencionalnih izvora nemogu će je odgovoriti na sve potrebe potroša ča. Osim što su ograničeni resursi, fosilna goriva zna čajno zaga đuju i Zemljinu atmosferu. Zbog ovih navedenih razloga kao rješenje se name će potreba za istraživanjem i razvijanjem obnovljivih izvora energije. Zasigurno voda predstavlja najekonomi čniji i najpouzdaniji obnovljivi izvor energije. Hidroenergija učestvuje i do 97 % ukupne energije dobivene iz obnovljivih izvora [8]. Izgradnja objekata za iskorištavanje obnovljivih izvora postaje ne samo potreba ve ć i obaveza. Naime, Evropska Unija je obavezala sve članice, u formi direktive (Directive 2001/77/EC), da u precizno definisanoj mjeri, srazmjerno prirodnim resursima, pove ćaju učešće obnovljivih izvora u nacionalnoj prizvodnji elektri čne energije [1]. Upravo ovim radom se žele predstaviti male hidroelektrane (HE) kao i svi podsistemi koje čine jedan ovakav energetski izvor. U prvom dijelu rada će biti opisani tipovi realizovanih malih HE. U nastavku će biti opisan na čin mjerenja hidropotencijala koji predstavalja prvi i najvažniji korak prilikom projektovanja neke male hidroelektrane. U drugom dijelu rada će biti izloženi osnovni tipovi i karakteristike hidrauli čkih turbina, generatora i sistema kontrole i zaštite.
Šabanović Ernad
1
Male hidroelektrane
2 PREDNOSTI I MANE MALE HE Najvažnija prednost obnovljivih izvora energije, pa tako i male HE, je smanjena ili u potpunosti eliminisana emisija štetnih plinova. Glavni razlog je što ne koriste fosilna goriva kao pokreta č turbine time elektri čna energija nastala u maloj HE postaje rentabilnija te nezavisna o cijeni i ponudi fosilnih goriva na tržištu. Osim toga ekonomski je isplativija i zbog zahtjeva male HE na jako mal broj radnika, zbog velikog stepena automatizacije o čemu je bilo rije či u podnaslovu upravljački sistemi. Male HE se u potpunosti moraju svojim oblikom i veli činom konstruktivnih elemenata uklopiti u okolinu i podrediti ostalim izgra đenim objektima i korisnicima prostora i vode. Pored toga regulacijom vodotoka sprje čavaju moguće poplave, a mogu se i lahko ugra đivati u već postojeće objekte za vodosnabdjevanje i navidnjavanje. Kako su locirane izvan nseljenih mjesta nivo buke je ispod dopuštenih i preporu čenih nivoa. Ono što se prigovara malim HE jeste da ipak imaju uticaj na ekologiju, pogotovo ako postoji mala akumulacija jer je mogu će da dođe do prezasićenja vode gasovima iz vazduha ili da u donjim slojevima bude manje kisika što se može negativno odraziti na biljni i životinjski svijet u rijeci. Krčenjem šume na terenu oko male HE dovodi do pojave klizišta što može da izazove promjene toka tekućih voda. Kako bi se zaštitila populacija riba neophodno je izgraditi (pogotovo kod akumulacionih) zaobilazne kanale koje će omogu ćiti ribama da zaobi đu mašinsku zgradu, slika 7.1.
Slika 7.1. Prolaz za ribe sa okomitim (lijevo) i rotacijskim krilcima (desno)
3 TIPOVI MALIH HIDROELEKTRANA Hidroelektrana je postrojenje u kojem se potencijalna energija vode najprije pretvara u mehani čku energiju posredstvom turbine, a zatim u elektri čnu energiju u samom generatoru. Razlika izme đu velike i male HE se ogleda u instalisanoj snazi. Opet ta grani čna snaga se razlikuje od zemlje do zemlje. Pa zemlje poput Španije, Gr čke, Belgije, Portugala su prihvatili 10 MW kao gornju granicu instalisane snage za male HE. U Italiji je ta granica 3 MW, u Švedskoj 1,5 MW, u Francuskoj 8 MW, u Indiji 15 MW i u Kini 25 MW. U Europi se sve više prihva ća kapacitet od 10 MW i tu granicu su podržali europsko udruženje malih hidroelektrana (ESHA) i Europska komisija[2].
Male hidroelektrane
Jedna mala HE se sastoji od svih objekata i dijelova koji služe za akumulaciju, dovo đenje i odvo đenje vode, za pretvaranje mehani čke u elektri čnu energiju, za transformaciju i razvod električne enrgije. Neke dijelove, u zavisnosti od tipa HE, se upotpunosti izostavljaju, a neki mogu i da preuzmu na sebe više funkcija. Male HE mogu biti proto čne ili akumulacione. Ukoliko postoji akumulacija mašinska zgrada može biti u podnožju brane (pribranska HE) ili udaljena od vodozahvata od koga se doprema voda kanalom ili cjevovodom (derivaciona HE).
3.1 Protočne male HE Ova vrsta male HE je direktno zavisna od raspoloživog protoka jer ne posejduje nikakvu akumulaciju. Stoga rijeka ukoliko presuši ili ukoliko njezin protok padne ispod nekog ve ć unaprijed određenog minimuma HE prestaje sa radom. Kako nemaju branu ove HE prakti čno nemaju negativan uticaj na biljni i životinjski svijet rijeke. Primjer jedne proto čne HE je dat na slici 2.1.1.
Slika 2.1.1. Sistem protočne HE
U slučaju srednjih i velikih padova grade se ustave pomo ću kojih se voda preusmjerava do vodozahvata. Nastoje se izbje ći, ukoliko je to mogu će, cjevovodi sa pritiskom jer nisu ekonomi čni. Pa kao rješenje se javlja gradnja kanala sa blagim nagibom do postrojenja za obradu vode, a odatle do mašinske zgrade sa što kra ćim cjevovodom. Na izlazu iz turbine voda se ponovno ispušta u rijeku preko odvodnog kanala, slika 2.1.2. [7].
Male hidroelektrane
Slika 2.1.2. Protočna HE sa srednjim i velikim padom: 1-jezero, 2-ustava, 3-kanal, 4-tunel, 5-obrada vode, 6cjevovod, 7-mašinska zgrada, 8-odvod, 9-rijeka
U slučaju malog pada postoje dva rješenja i to sa kratkim cjevovodom i turbinom u horizontalnoj ravni i kanalom i turbinom u vertikalnom položaju, slika 2.1.3 i slika 2.1.4. respektivno. U oba slučaja voda se dovodi do mašinske zgrade kratkim cjevovodom, kao što je to bio slu čaj sa velikim padom. Ponekad se taj pad uspostavlja sa odre đenom ustavom uz uslov da postoji selektivan ulaz prije mašinske zgrade za odvajanje riba, slika 2.1.4. [7].
Slika 2.1.3. Mala HE sa kratkim cjevovodom i horizontalnom turbinom: 1-voda ispred ustave, 2-generator, 3cjevovod, 4-odvod vode
Male hidroelektrane
Slika 2.1.4. Mala HE sa dovodnim kanalom i vertikalnom turbinom: 1-mašinska zgrada, 2-generator, 3-turbina
3.2 Male HE sa akumulacijom Gradnja zasebne brane za male HE je ekonomski neprihvatljiva. No me đutim ukoliko ve ć postoji neka brana koja je izgra đena radi zaštite od poplava, za navodnjavanje i sli čno, mogu će je iskoristiti za proizvodnju elektri čne energije opet uz poštovanje primarne namjene akumulacije. U tom slu čaju postoje dva mogu ća rješenja. Ako brana ve ć ima ispusni otvor na dnu, mogu ća izvedba male HE je prikazana na slici 2.2.1. Ukoliko brana nije previsoka može se ugraditi sifonski dovod, slika 2.2.2. Time se postiže efikasna izvedba postrojenja, naj češće do visine 10-tak metara i sa snagom do 1 MW. Postoji ipak male iznimke, a to su Švedska sa instalisanom snagom sa sifonskom malom HEom od 11 MW i SAD-e sa visinom i do 30,5 m [1]. Turbina može biti smještena na vrhu ili na nizvodnoj strani brane.
Slika 2.2.1. Mala HE sa postoje ćom akumulacijom
Male hidroelektrane
Slika 2.2.2. Mala HE sa sifonskim vodozahvatom
Kanali namjenjeni za navodnjavanje mogu biti iskorišteni za izgradnju malih HE. Ukoliko se elektrana planira zajedno sa gradnjom kanala tada je mogu ća izvedba prikazana na slici 2.2.3. Tada je kanal nešto širi da bi se mogla ugraditi prate ća oprema male HE. Osim toga kanal mora zasebno posjedovati i ispusne dijelove kako bi nesmetano prolazila voda ukoliko je elektrana van pogona. Ukoliko ve ć postoji kanal, tada je mogu ća izvedba sa slike 2.2.4. Potrebno je blago proširiti kanal radi izgradnje vodozahvata i ispusnih (prelivnih) dijelova kanala. Voda do turbine se dovodi cjevovodom pod pritiskom, a u kanal se vra ća kratkim odvodom. U oba prethodna primjera male HE nema potrebe za ugradnjom kanala za ribe jer ne postoji migracija riba u njima [4].
Slika 2.2.3. Mala HE integrisana unutar kanala za navodnjavanje
Male hidroelektrane
Slika 2.2.4. Mala HE unutar kanala za navodnjavanje
4 SNAGA HIDROELEKTRANE Ako posmatramo vodeni tok sa padom h i nazna čenim protokom Q , potencijalna energiju dE p se može zapisati [1]: dE po
=
g ⋅ h ⋅ dm = g ⋅ h ⋅
γ
g
⋅
Q ⋅ dt = h ⋅ γ ⋅ Q ⋅ dt
(3.1)
Za elementarnu masu vode dm može se zapisati: dm =
γ
g
⋅
Q ⋅ dt
(3.2)
N m gdje su: γ - specifična težina vode 3 , g = 9,81 2 i t- vrijeme. m s
Pa je odgovarajuća snaga: P po
=
dE po dt
=
h ⋅ γ ⋅ Q
(3.3)
Kao što se vidi iz izraza (3.3) snaga postrojenja direktno zavisi od raspoloživog pada i protoka vode. Tehni čki iskoristiva energija vodotoka je umanjena za gubitke u cjevovodima uslijed trenja, što se definiše kroz neto pad H n : H n
=
H b − gubici
(3.4)
gdje je H b - bruto (prirodan) pad vode. Na osnovu prethodnog zaklju čka može se izvesti maksimalna snaga male HE, a samim time i količina elektri čne energije koja se o čekuje na odre đenom vodenom toku [1]: Pmax
=
g ⋅ H N ⋅ Q ⋅η
(3.5)
gdje η označava ukupne gubitke, tj. gubitke u cjevovodu, turbini i generatoru. Pa na osnovu toga se kreće od 0,5÷0,8. Za ve ća postrojenja i stepen iskorištenja male HE ( η ) je veći.
η
Male hidroelektrane
5 MJERENJE PROTOKA I PADA Mjerenje protoka i pada na odre đenoj rijeci predstavlja prvi i najvažniji korak prilikom projektovanja jedne male HE. Na osnovu tih podataka iz izraza (3.5) se može približno predvidjeti koliko električne energije u toku jedne godine HE može obezbjediti. Postoje razli čite metode mjerenja raspoloživog protoka od standardnih i jednostavnih do modernih i složenih. Dijele se u nekih četiri metode [6]:
mjerenjem rezervoarom,
mjerenjem plovkom i popre čnog presjeka,
pomo ću pregrade,
na osnovu koncentracije soli.
5.1 Mjerenjem rezervoarom Ova metoda se koristi za male protoke oko 20 l/s, slika 4.1.1. [6]. Na čin izvedbe je jednostavan. Potrebna je jedna cijev sa kojom će se voda dopremati do posude ili rezrvoara čija je zapremina poznata. Prati se i vrijeme za koje će se ta posuda napuniti i jednostavnim izrazom se dobiva traženi protok: Q=
V t
(4.1.1.)
Slika 4.1.1. Ilustracija mjerenja protoka pomoću rezervoara
Male hidroelektrane
5.2 Mjerenjem plovkom i poprečnog presjeka Ova metoda se koristi za protoke ve će od 20 l/s, slika 4.2.1. [1]. Potrebno je znati da je brzina rijeke na dnu jednaka nuli dok je na površini maksimalna. Pa je empirijskim putem utvr đeno da važi zavisnost između prosječne brzine v i maksimalne brzine vmax i ona iznosi: v = 0,8 ⋅ vmax . Mjerenje vmax se vrši tako što se niz rijeku pusti plovak i na ve ć odere đenom rastojanju mjeri vrijeme za kojeg će taj plovak pre ći. vmax
=
s t
(4.2.1.)
Slika 4.2.1. Ilustracija mjerenja protoka pomo ću plovka
Vrijednost popre čnog presjeka se procjenjuje mjerenjem dubine na nekoliko mjesta i korištenjem sljedećeg izraza[1]: A =
1 1 1 1 y1 z1 + ( y2 − y1 )( z1 + z 2 ) + ( y3 − y 2 )( z 2 + z 3 ) + ( y 4 − y3 ) 2 2 2 2
(4.2.1.)
Pa je na kraju vrijednost protoka jednaka: Q = v ⋅ A = 0,8 ⋅ vmax ⋅ A
(4.2.2.)
5.3 Mjerenje pomoću pregrade Ova metoda je idealna ukoliko se želi izra čunati protok rijeke tokom cijele godine, slika 4.3.1. Za pregradu se mogu koristiti razli čiti materijali, ali je metal najbolji zbog svojih oštrih ivica. Pad mora biti projektovan tako da ne dolazi do talasanja na ulazu u otvor ve ć da voda oti če bez ikakve smetnje. Ono što predstavlja teško ću jeste ne mogu ćnost lahkog uspostavljanja veze izme đu pada i protoka i osim toga za samu izvedbu je potrebno veliko umije će i iskustvo. Na slici 4.3.2. je ilustrovana približna visina i mjera kojom se treba voditi za što efikasnije mjerenje [1]. Pa na osnovu tih dimenzija protok se može dobiti iz sljede ćeg izraza:
Male hidroelektrane 3 2
Q = 1,8 ⋅ (W − 0, 2 ⋅ h) ⋅ h
(4.3.1.)
Slika 4.3.1. Prikaz izgrađene pregrade za mjerenje protoka
Slika 4.3.2. Ilustracija mjerenja protoka pravougaonom pregradom
5.4 Mjerenje pada Pad kod projektovanja malih HE se smatra visinska razlika izme đu vodozahvata i mjesta gdje se planira instalacija turbine. Postoji i u ovom slu čaju nekoliko metoda. Najstarija metoda zasnovana je na mjerenju razli čitih nivoa te njihovih sumiranja kao kona čan izmjeren pad. Prilikom projektovanja za ovu metodu je potrebno paziti da mjerna daska uvijek ide pod pravim uglom sa daskom koja je pri čvršćena za prvi čvrsti dio zemlje. Sve je prikazano na slici 4.4.1. [6].
Male hidroelektrane
Slika 4.4.1. Ilustracija mjerenja pada pomoću dasaka
Nešto jednostavnija metoda jeste korištenjem gotovih ure đaja koji su namjenjeni upravo za mjerenje visine. Postoje razli čite vrste kao i principi po kojima ti ure đaji rade. Pa tako altimetar (visinomjer), slika 4.4.2. radi na principu atmosferskog pritiska jer se on razlikuje shodno visini na kojoj se nalazi. Mana ove metode je što altimetar zahtjeva brzo mjerenje i stabilne vremenske prilike. Ne mogu će je vršiti mjerenja sa ovim ure đajem na visinama ispod 50 m.
Slika 4.4.2. Primjer altimetra (visinomjera) lijevo i klinometra desno
Sljedeći praktičan ure đaj jeste klinometar koji služi za precizno mjerenje ugaonih promjena nagiba, a zasnovan je na jako osjetljivoj libeli 1, slika 4.4.2. [6]. Ostali uređaji su mnogo sofisticiraniji i naj češće posjeduju i više mjernih podataka, a za njihovu upotrebu je potrebno stru čno lice. Među tim uređajima su: nivelir, teodolit i totalna stanica, slika 4.4.3. 1
Libela je geodetski mjerni instrument koji služi za postavljanje osi u vertikalan ili horizontalan položaj.
Male hidroelektrane
Slika 4.4.3. Nivelir (lijevo), teodolit (sredina), totalna stanica (desno)
6
IZBOR OSNOVNE OPREME ZA MALE HE
Naime, danas postoje mnoge opcije pri instalaciji male HE, pa će u nastavku ovog rada biti dat kratki opis pojedinih dijelova gdje će se iznositi prednosti kao i mane izabranih rješenja. Prije svega mala HE mora biti predvi đena za odre đenu lokaciju, što zna či da treba optimalno da iskorištava potencijalnu energiju vode na lokaciji, ali i da vodi ra čuna o mogu ćem negativnom uticaju na okolnu prirodu.
6.1 Hidrauličke turbine Izbor hidrauli čke turbine se vrši na osnovu izra čunatih vrijednosti pada i protoka odre đene rijeke. Zbog toga nije mogu će jednom vrstom turbine posti ći visok stepen iskorištenja pri razli čitim padovima i protocima. Kako se energija vodenog toka može razložiti na akcijsku i reakcijsku komponentu tako i postoje akcijske i reakcijske turbine shodno korištenju energije vodenog toka, slika 5.1.1.
Slika 5.1.1. Primjer reakcijske (lijevo) i akcijske (desno) turbine
Akcijske turbine se naj češće koriste u malim HE i to na mjestima sa malim protocima. Kod ovih turbina energija vode se pretvara u kineti čku pomo ću dovodnog kanala (mlaznika). Ne postoji
Male hidroelektrane
nikakav pad pritiska na turbini. U ovu grupu spadaju Peltonova turbina, Turgo turbina i BankiMičel-Obsbergova turbina [1]. Peltonova turbina se koristi za padove ve će od 100 - 1800 m, slika 5.1.2. Kontrola protoka se vrši pomoću mlaznica kojih može biti maksimalno 6. Korisiti se za relativno male brzine protoka. Stepen iskorištenja je visok i razlikuje se u zavisnosti od broja mlaznica, pa tako sa jednim mlaznikom η = 0,91 , a sa četiri mlaznika η = 0,9 .
Slika 5.1.2. Primjer Peltonove turbine
Turgo turbine, slika 5.1.3., koriste se za padove u opsegu 50÷250 m. U pore đenju sa Peltonovom turbinom brzina obrtanja Turgo turbine je viša pri istom padu i protoku, ali je stepen iskorištenja manji oko η = 0,85 .
Slika 5.1.3. Rotor i protok Turgo turbine
Reakcijske turbine se koriste za ve ća postrojenja sa malim padovima pri velikom protoku i malom pritisku. Rade potopljene u vodi. U ovu grupu spadaju Francisova i Kaplanova turbina. Francisova turbina se koristi za padove u opsegu 15÷700 m. Koristi se za srednje brzine protoka. Krase je relativno visok stepen iskorištenja η = 0,96 kod savremenih, a nešto manji kod starijih izvedbi i iznosi η = 0,94 . Osnovna prednost Francisove turbine je mogu ćnost da radi u razli čitim konstrukcionim izvedbama. Mogu će je koristiti i sa vertikalnom i sa horizontalnom izvedbom, slika 5.1.4. Kod malih HE do 5 MW je česta izvedba sa vertikalnom Francisovom turbinom. Za mjesta sa malim padovima i otvorenim dovodm vode Kaplanove turbine su bolje rješenje i u tehničkom i u ekonomskom smislu od Francisove [5]. Koriste se kod jako malih padova u opsegu
Male hidroelektrane
od 5÷70 m, i jako brzih protoka. Ono što krasi ove turbine jeste dvojna regulacija, odnosno protok vode kroz turbinu se može regulisati preko mlaznice i zakretanjem lopatica obrtnog kola. Upravo zbog toga i sama efikasnost turbine se pove ćava za različite količine vode (protoka). Ta efikasnost doseže i do η = 0,93 kod regulacionih, odnosno η = 0,91 kod propelernih. Ukoliko su lopatice obrtnog kola kod Kaplanove turbine fiksirane turbina se zove propelerna. Ova vrsta turbine se koristi na mjestima sa stalnim padom i stalnim protokom, stoga se rijetko i koristi kod malih HE. Slika Kaplanove turbine prikazana je na slici 5.1.5. [5].
Slika 5.1.4. Šema Francisove turbine
Slika 5.1.5. Šema Kaplanove turbine
Male hidroelektrane
6.1.1
Princip izbora hidrauličke turbine
Izbor najboljeg tipa turbine, ali i generatora, prvenstveno zavisi od karakteristike lokacije male HE, veličine pada, protoka, željene snage na izlazu i brzini generatora. Svaku turbinu male HE opisuju dvije osnovne karakteristike: snaga-brzina i stepen iskorištenja–brzina. U ovom dijelu rada će biti predstavljen na čin izbora adekvatnog tipa turbine na osnovu njezine efikasnosti za dati pad i protok. Na slici 5.1.1.1. je dat oblast primjene pojedinih tipova turbina malih HE u funkciji neto pada i protoka [3].
Slika 5.1.1.1. oblast primjene pojedinih tipova turbina malih HE u zavisnosti od neto pada i protoka
Ono što se može zaklju čiti iz prethodne slike jeste da Francisova turbina ima vrlo prihvatljive brzine za širok opseg kombinacija izlaznih snaga i neto pada. Zbog toga su Francisove turbine jako česte u primjeni iako im je konstrukcija relativno složena i imaju nešto slabiji stepen iskorištenja pri smanjenju protoka. Akcijske turbine su znatno ve će za iste uslove rada, a samim tim i skuplje, i zahtjevaju zna čajno pove ćanje prenosne brzine.
Slika 5.1.1.2. Stepen iskorištenja malih HE
Male hidroelektrane
Na slici 5.1.1.2. je dat stepen iskorištenja pojedinih tipova turbina u odnosu na protok. Ukoliko se pretpostavi da su ure đaji za upravljanje protokom dobro podešeni, Pelton i Turgo turbine zadržavaju svoj visok stepen iskorištenja i pri smanjenom protoku, dok kod Francisove i propelerne turbine stepen iskorištenja drasti čno opada ako je protok ispod polovine projektovanog. Kao zaklju čak se može uzeti da je najbolji stepen iskorištenja reakcijskih turbina ako je protok izme đu 80 i 100 %, dok je za 20 % odnosno 40 % protoka stepen iskorištenja nula. Manja radna kola zahtjevaju manje materijala i ve će brzine obrtanja, a samim tim i nižu cijenu. U tabeli ispod su date približne vrijednosti obrtanja pojedinih tipova turbina u zavisnosti od vrijednosti pada. Tabela 5.1.1. Klasifikacija turbina prema brzini i padu [7]
Tip turbine
Kaplan
Francis
Pelton
Vrijednost brzine [o/min]
Vrijednost pada [m]
L
350 – 500
30 – 40
M
501 – 750
10 – 30
F
751 – 1100
≤ 10
L
50 – 150
110 – 300
M
151 – 250
50 – 110
F
251 – 450
≤ 50
L
2 – 15
1000 – 1300
M
16 – 25
700 – 1000
F
26 - 50
100 - 700
L-turbina male brzine, M-turbina srednje brzine, F-turbina velike brzine.
6.2 Izbor generatora Kod malih HE u upotrebi su i sinhroni i asinhroni generatori. Sinhroni generatori se zalije ću prije nego se priklju če na mrežu. Zbog potrebe da se izjedna če napon, frekvencija i fazni ugao sa mrežom jer samo u takvom stanju sinhroni generator može da se priključi što se naziva proces sinhronizacije. Ukoliko se napaja tim generatorom direktno neki potrošač tada se mora paziti na napon koji opet zavisi od samog potroša ča. Sinhroni generatori zahtjevaju pobudu jednosmjernim naponom. To se može obezbjediti na više na čina. To može da bude mali DC generator naj češće snage od 0,5 % - 1.0 % ukupne snage generatora [4]. Pored toga mogu će je koristiti i mali generator koji posjeduje svoj namotaj na statoru, a koji stvara naizmjeničnu struju u rotoru. Na samoj osovini se nalazi dobro pri čvršćen ispravlja č koji tu AC struju pretvara u DC oblik i tako napaja pobudni namotaj glavnog generatora bez upotrebe četkica. Time je mogu ća i uspješna naponska regulacija koja se vrši kontrolom struje u namotajima malog Šabanović Ernad
16
Male hidroelektrane
generatora. I kao najefikasnija pobuda predstavlja mreže preko koje se dobiva AC napon i preko ispravljača se za pobudni namotaj obezbje đuje DC napon. Osim efikasnosti ovaj na čin ima prednosti i u jako dobrom vladanju sa naponskim oscilacijama na generatoru. Danas postoje i sinhroni generatori koji ne zahtjevaju spoljašnju pobudu, a to su sinhroni generatori sa stalnim (permanentnim) magnetima. Ove generatore krasi jako velika efikasnost koja može dose ći i do 97 %. Česte su izvedbe ovih generatora sa upravlja čkim sistemom (o kojem će kasnije biti više riječi) koji reguliše efikasnost generatora promjenom njegove brzine. Jedna od takvih primjera jeste integrisana izvedba turbine u sami generator. Ta konstrukcija je bazirana na upotrebi cjevastih turbina čiji se rad zasniva na promjeni pritiska vode koja prolazi kroz turbinu i na taj na čin predaje energiju, slika 5.2.1. [11].
Slika 5.2.1. Izgled integrisane turbine sa sinhronim generatorom sa stalnim magnetima
Ovom konstrukcijom se izbjegla upotreba vratila i sistema za njegivim upravljanje, multiplikatora i kontrolni sistemsamih lopatica što u mnogome smanjuje same investicione troškove. Moment se prenosi posebnim vanjskim prstenom koji predstavlja dio turbine. Ovaj sistem je jednostavan, izdržljiv i pouzdan [11], te ne zahtjeva neko posebno održavanje. Stalni (permanentni) magneti su smješteni sa vanjske strane prstena, a razmak izme đu magneta je ispunjen epoksidnom smolom. Oba glavna dijela generatora (unutrašnji dio statora i vanjski dio rotora) su zašti ćeni vodootpornom cijevima. Takva izvedba ima i dodatnu prednost jer ta voda koja te če kroz otvor izme đu rotora i statora dodatno hladi namotaje statora kao i permanentne magnete. Upravlja čke lopatice usmjeravaju vodu na same lopatice turbine koje time uzrokuju njihovo obrtanje. Te upravlja čke lopatice mogu biti prilago đene tako da omogu će maksimalnu mogu ću efikasnost sistema za širok dijapazon protoka i proizvedene elektri čne energije. Uređaji energetske elektronike se mogu uspješno iskoristiti za promjenu brzine sinhronog generatora sa stalnim magnetima u cilju dobivanja ve će efikasnosti sistema. Ta promjena brzine kod ovih generatora može biti u dijapazonu -60 % ÷ +30 % u odnosu na nazna čenu vrijednost. U ovom slučaju sistem energetske elektronike se sastoji od ispravlja ča i invertora kao i prate će upravljačke opreme. Najprije se dobiveni naizmjeni čni napon ispravlja u DC oblik te se nakon toga posredstvom invertora predaje mreži preko transformatora ili prigušnice (što je rijedak slu čaj).
Male hidroelektrane
Za razliku od sinhronog, asinhronom generatoru je potrebna naizmjeni čna pobuda. I ona se naj češće dobija preko mreže. Samim tim i brzina obrtanja je direktno zavisna od u čestanosti mreže, pa asinhroni generator ne može da radi u oto čnom radu. Ukoliko se mala HE prilkju čuje na stabilnu mrežu i ukoliko je snaga manja od 1 MW preporu čuje se upotreba asinhronog generatora, jer su mnogo jeftiniji od sinhronog za te vrijednosti snaga, a razlika u efikasnosti nije toliko izražena. U tabeli 5.2.1. su date maksimalne vrijednosti stepena iskorištenja asinhroni generaotra za snage do 1 MW [1]. Tabela 5.2.1. Maksimalan stepen iskorištenja asinhronih generatora za nazna čene snage
Naznačena snaga [kW]
Maksimalna vrijednost stepena iskorištenja
10
0,91
50
0,94
100
0,95
250
0,955
500
0,96
1000
0,97
U nastavku rada će više biti govora o izboru broja polova asinhronog generatora za male HE jer se oni češće koriste. Često pri projektovanju malih HE brzine turbine i generatora nisu jednake, odnosno brzina generatora je ve ća u odnosu na brzinu turbine. Kao rješenje se uzima miltiplikator ili drugi ure đaji za pove ćanje brzine. Po pravilu, odnose brzine turbine i generatora koji su ve ći od 3:1 treba izbjegavati, dok se teži da postoji odnos brzina manji od 2,5:1. Ukoliko se nastoji izbje ći multiplikator tada se teži da asinhroni generator ima ve ći broj polova otprilike iznad 14, jer se time uveliko smanjuje brzina obrtanja. Dok kod manjeg broja polova multiplikator je skoro pa obavezan. n=
60 ⋅ f p
(5.2.1.)
Opet sa druge strane efikasnost asinhronog generatora sa ve ćim brojem polove je manja. Zato što magnetno polje mora presjecati procjep više puta što uzrokuje pove ćanje struje magnećenja i smanjenje faktora snage[9]. Na slici 5.2.2. je data efikasnost asinhronih generatora sa razli čitim vrijednostima polova u funkciji snage turbine. I sa slike se može zaklju čiti da je efikasnost generatora sa manjim brojem polova ve ći, a u tome najviše se isti če četveropolni generator i to sa kaveznim rotorom od bakra (4p⃰ ).
Šabanović Ernad
18
Male hidroelektrane
Slika 5.2.2. Efikasnost asinhronog generatora sa razli čitim brojem polova u funkciji snage turbine
Osim toga snaga gubitaka kod četveropolnog generatora je najmanja dok ostali generatori imaju veće gubitke od kojih se četrnaestopolni najviše isti če, slika 5.2.3.
Slika 5.2.3. Gubici asinhronog generatora sa razli čitim brojem polova u funkciji snage turbine
6.3 Upravljački sistemi Regulator brzine ima ulogu da prati brzinu obrtanja i to na osnovu optere ćenja. Naime, ukoliko nebi bilo tog regulatora generator bi umanjio jako svoju brzinu prilikom priklju čenja nekog potroša ča, odnosno pove ćao bi jako brzinu ukoliko bi se potroša č isključio sa njegovih priklju čaka, gdje bi se napon i frekvencija znatno pove ćali. Senzor brzine detektuje odstupanja te zatim šalje signal za pobudu servo motora koji upravlja dotokom vode na turbinu. Pored toga novije izvedbe ovog sistema (sistem upravljanja optere ćenja) omogu ćuju i postavljanje prioriteta u korištenju proizvedene elektri čne energije. Ovaj ure đaj može upravljati i napraviti prioritete za šest ili više različitih optere ćenja [4]. Upravljački sistem kod asinhronih generatora je mnogo jednostavniji jer je brzina obrtanja u funkciji frekvencije mreže na kojoj je priklju čen. Ipak u slu čaju kada se generator isklju či sa mreže brzina obrtanja osovine se znatno pove ća. Zbog toga je potrebno da se instalira onaj generator i multiplikator koji može izdržati sva optere ćenja do trenutka kada se dotok do turbine upotpunosti prekine.
Male hidroelektrane
U novije vrijeme nastoji se uspostaviti potpuna automatizacija upravlja čkog sistema male HE što uključuje: zaštita za potpuno isklju čenje generatora i turbine, pra ćenje operacija generatora i signalizacija vanrednih stanja, kontrola ugla lopatica turbine u funkciji protoka, automatsko spajanje male HE na mrežu [7]. Potpuna ili polovi čna automatizacija i kontrola se može uspješno ostvariti upotrebom PLC-a (Programmable Logic Controller) odnosno programabilnim logi čkim kontrolerom [12]. PLC predstavlja uopšteno digitalni elektronski ure đaj koji ima mogu ćnost pohrnanjivanja logi čkih naredbi kao i implementaciju istih za odre đene radnje. U prvim danima razvoja PLC-a imali su ulogu zamjene oži čenih releja da bi kasnije svojim razvojem upotpunosti zamjenili takve releje zbog svoje fleksibilnosti. Automatizacija malih HE je vršena uglavnom pomoću mikroprocesora čiji je broj releja i do dan dans ostao nepromjenjen. Stoga uz pomo ć PLC-a korištenje oži čenih releja je smanjen na minimum. Dovoljno veliki PLC može da ima dosta releja koji mogu pokrivati cjelokupan sistem i uz to prednost je i što su ti releji digitalni pa bilo kakva šteta se ne naplaćuje kao i njihovo održavanje. Ukoliko je potrebno da se mijenja nešto u programu male HE onda se to rješava direktno preko PLC-a bez ikakvih dodatnih radova. Razli čite funkcije i kontrole se mogu posti ći korištenjem PLC-a te osim toga i kontinualno pra ćenje i evidentiranje podataka. Uspješno se može ostvariti daljinsko upravljanje male HE preko ovog ure đaja. Što znači da se sve radnje vezane za održavanje male HE mogu integrisati u jedan PLC kojim će se tako uveliko smanjiti troškovi kao i omogu ćiti jednostavnost rada i održavanja. Kako su male HE naj češće smještene u nepristupa čnim mjestima potreba za atumatizacijom je povećana. Time se uveliko smanjuju troškovi održavanja kao i prevoza do same male HE. Osim toga pove ćanje profita se postiže i zbog: automatskog priklju čenja male HE na mrežu nakon njezinog ispada (npr. napon mreže zna čajno opao), kontinualnog dovo đenja maksimalnog mogu ćeg protoka i pra ćenja svih operacija male HE što kao rezultat daje mogu ćnost djelovanja i prije nego se desi neki zna čajniji kvar. Smatra se da zbog svih ovih prednosti upravlj čki sistem vrijedi uspostaviti, a period vra ćanja same te investicije je od jedne do dvije godine. Danas se može izvesti upravljanje male HE preko sopstvenog mobitela te pra ćenje isporuke aktivne i reaktivne snage u mrežu kao i ostalih bitnih parametara.
7 INVESTICIONI TROŠKOVI Cijena izgradnje male HE zavise od:
tipa male HE (proto čna, akumulaciona itd),
instalisane snage i broju generatora,
iskoristivog pada,
kapacitet akumulacije,
teren (konfiguracija terena, dužina i visina nasipa, cijena korištenog zemljšta itd).
Približni troškovi u funkciji snage projektovane male HE sa padom od 10 m su prikazani na slici 6.1. [7] Šabanović Ernad
20
Male hidroelektrane
Slika 6.1. Investicioni troškovi male HE za pad od 10 m
Generalno manja radna kola zahtjevaju manje materijala i ve će brzine obrtanja i kona čno nižu cijenu. Zbog toga su akcijske turbine obi čno jeftinije od reakcijskih, kod kojih su radna kola ve ća. Dalja analiza ukupne cijene male HE se može izvršiti procjenom cijena ostale opreme. Ukupna cijena direktno zavisi od snage kao i pada male HE, pa važi sljede ći empirijski izraz [3]: 3500(4500) [$/kW] P 0,3 ⋅ H 0,15
(6.1.)
Kako se akcijske turbine koriste kod ve ćih padova izraz 6.1. upravo potvr đuje da će ukupna cijena male HE biti manja, odnosno što se pad HE smanjuje to se i cijena pove ćava. Na slici 6.2. je dat dijagram troškova u zavisnosti od pada za razli čite vrijednosti snaga. Problemi vezani za projektovanje i puštanje u rad male HE leže u ekonomskim i zakonodavnim izvorima. U BiH glavni problem prije svega predstavlja nezainteresovanost organa vlasti za ulaganja u obnovljive izvore energije. Po četni investicijski troškovi ulaganja po kW su veliki, ali troškovi održavanja male HE su niski, budu ći da nema potrebe pla ćati gorivo. Ako se uzme u obzir 5000 sati punog optere ćenja u toku godine, investicijski troškovi za malu HE od 100 kW su u opsegu od 0,95 do 1,8 € po kWh ili od 475 000 do 900 000 € dok je za malu HE od 2 MW taj trošak manji i iznosi izme đu 0,55 do 0,75 € po kWh ili izme đu 5,5 i 7,5 miliona € [4].
Slika 6.2. Investicioni troškovi u funkciji pada za razli čite vrijednosti snaga
Male hidroelektrane
Ono što investitor treba da uradi prema zakonu jedne države jeste [10]:
pribavljanje informacija o lokacija,
pribavljanje energetske dozvole,
pribavljanje lokacijske dozvole,
pribavljanje gra đevinske dozvole i
pribavljanje vodne dozvole i upotrebne dozvole.
Nakon predanih svih zahtjevaju ćih dozvola od strane države se o čekuju sljedeći ugovori i to predstavlja posljednji korak prije samog upuštanja male HE u pogon, a to su [10]:
ugovor o povjeravanju,
licenca,
odobrenje za priklju čenje,
status povlašćenog proizvo đača,
ugovor o otkupu elektri čne energije.
Ukoliko se uzme u obzir hidropotencijal BiH smatra se da posjeduje oko 21 000 GWh, a od toga je iskorišteno svega 6 000 GWh , odnosno oko 28,5 %. Iz ovog rezultata se vidi da BiH ima još dosta uložiti u ovom sektoru energetike jer zapadne zemlje imaju iskorištenje svojih mogu ćnosti i do 90 % [8]. Kao zaključak se može izvesti tabela 6.1. koja u grubu predstavlja postotak po četnih investicija [7]. Tabela 6.1. Investicioni troškovi osnovnih dijelova male HE Elementi investicije
Procenat učešća u ukupnoj cijeni izgradnje male HE
Hidro-tehnički dio (brana, vodozahvat, dovod vode, odvod vode i sl.)
60 %
Turbine
25 %
Mašinska zgrada
5%
Električna oprema
10 %
Šabanović Ernad
22
Male hidroelektrane
8 ZAKLJUČAK Cilj ovog rada je bio, u nešto kra ćem obliku, predstaviti osnovne tehnologije koje se koriste pri mjerenjima hidropotencijala i osnovne dijelove koje čine jednu malu HE. Za mjerenje hidropotencijala su nabrojane osnovne metode kao i osnovni ure đaji za mjerenje pada, popraćeni slikom među kojima su: altimetar, klinometar, nivelir, te nešto noviji: teodolit i totalna stanica. Izvršena je i podjela malih HE prema razli čitim faktorima: prema smještaju, snazi i padu vodotoka. U drugom dijelu rada dat je pregled osnovnih dijelova malih HE kao i osnovne smjernice za izbor adekvatne opreme. Kao osnovni parametri za izbor opreme predstavljaju izmjereni podaci pada i protoka same rijeke. Kao zaklju čak se može izvesti da se za male padove do 70 m koriste reakcijske turbine, dok se za najviše padove koriste Peltonove impulsne turbine. Pri izboru asinhronog generatora kao najbolje rješenje se pokazao četveropolni sa bakarnim kaveznim rotorom. Pored toga data je i izvedba sinhronog generatora sa stalnim magnetima i to integrisan sa turbinom bez vratila i multiplikatora i predstavlja jako dobro rješenje. Kako se teži automatizaciji malih HE kao najbolje rješenje zbog cijene, ali i jako dobre efikasnosti je predstavljen PLC koji može uspješno da odgovori na potrebe kontrole i upravljanja jedne male HE. Nakon toga dati su osnovni investicioni troškovi jedne male HE zajedno sa zakonodavnim potrebama investitora. Male HE su zasigurno tehni čki najpoznatiji i najrazvijeniji obnovljivi izvori sa jako visokim stepenom iskorištenja. To nam pokazuje i podatak da 97 % svjetske proizvodnje elektri čne energije iz obnovljivih izvora dolazi upravo od malih HE [8]. Osim toga one predstavljaju apsolutno najčišće oblike izvora elektri čne energije, gdje su iza sebe ostavile vjetroelektrane i solarne elektrane, prema istraživanjima Paul Scherrer Institut-a i Univerziteta u Stuttgartu [8]. Kako BiH ima jako velik potencijal gradnje ovog oblika obnovljivog izvora zasigurno da u budu ćnosti treba mnogo više uložiti truda i znanja da se takvi projekti i implementiraju.
Šabanović Ernad
23
Male hidroelektrane
9 LITERATURA [1] Vladica Mijailovi ć, „Distribuirani izvori energije“, Akademska misao, 2011. [2] Damir Rajkovi ć, „Skripta iz kolegija: Proizvodnja i pretvorba energije“, Rudarsko-geološkonaftni fakultet, 2011. [3] Andrija T. Sari ć i Miroljub Jevti ć, „Izbor turbine i generatora za mikro hidroelektrane“, Stru čni rad Elektroprivrede Srbija, 2005. [4] Guide on How to Develope a Small Hydropower Plant, ESHA, 2004. [5] Male hidroelektrane, Energetski institut Hrvoje Požar, 2010. [6] Klaus Jorde, „GOOD & BAD of Mini Hydro Power“, ACE, jun 2009. [7] Wladyslaw Bobrowicz, „Power Quality and Utilisation Guide“, Leonardo Energy, jesen 2006. [8] Ivan Šamani ć, „Odabir glavnih parametara HE postrojenja“, Tehni čki fakultet Rijeka, završni rad, 2011. [9] Miralem Hadžiselimovi ć, Matej Mlakar, Bojan Štumberger, „Impact of pole pair number on the efficiency of an induction generator for a mini hydro power plant“, Faculty of Energy Technology Maribor, 2013. [10] Branislava Lepoti ć Kovačević, Biljana Trajkovi ć, Bojan Lazarevi ć, „IZGRADNJA MALIH HIDROELEKTRANA I PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE U REPUBLICI SRBIJI VODIČ ZA INVESTITORE“, USAID , gtz i Vlada Republike Srbije, 2013. [11] Witold MAZGAJ, Zbigniew SZULAR, Tomasz W ĘGIEL, Tadeusz SOBCZYK, „Small Hydropower Plant with variable speed PM generator“, Instytut Elektromechanicznych Przemian Energii, 2011. [12] Raju Gupta, S.N. Singh, S.K. Singal, „Automation of Small Hydropower Station“, International Conference on Small Hydropower - Hydro Sri Lanka, 22-24.10.2007. [13] Emir Avdi ć, „Neka iskustva u projektovanju i radu malih hidroelektrana“, prezentacije, jun 2011.
Šabanović Ernad
24