So planen Sie ein Mini-Wasserkraftprojekt
Schemakomponenten
Abbildung 1 zeigt die Hauptkomponenten eines Laufwasserkraftprojekts. Diese Art von Regelung erfordert keine Wasserspeicherung, sondern leitet einen Teil des Wassers aus dem Fluss ab, der entlang der Talseite geleitet wird, bevor er über einen Stiftstock in die Turbine ‚fallen gelassen‘ wird. In Abbildung 1 treibt die Turbine einen Generator an, der Strom für eine Werkstatt liefert. Die Fernleitung kann zu einem lokalen Dorf verlängert werden, um inländische Energie für Beleuchtung und anderen Gebrauch zu liefern.
Es gibt verschiedene andere Konfigurationen, die abhängig von den topographischen und hydrologischen Bedingungen verwendet werden können, aber alle nehmen das gleiche allgemeine Prinzip an.
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Wasser in Watt
Um das Leistungspotential des in einem Fluss oder Bach fließenden Wassers zu bestimmen, müssen sowohl die Durchflussrate des Wassers als auch der Kopf bestimmt werden, durch den das Wasser fallen kann. Die Durchflussrate ist die Wassermenge, die in einer bestimmten Zeit an einem Punkt vorbeifließt. Typische Durchflusseinheiten sind Liter pro Sekunde oder Kubikmeter pro Sekunde. Der Kopf ist die vertikale Höhe in Metern von der Turbine bis zu dem Punkt, an dem das Wasser in das Ansaugrohr oder den Stiftstock eintritt.
Die potenzielle Leistung kann wie folgt berechnet werden: P = g * Q * H * feff
Beispiel: Ein Standort mit einer Förderhöhe von 10 Metern und einem Durchfluss von 300 Litern / s (= 0,3 m3 / s) hat eine potenzielle Leistung von 15 kW Strom:
10 m / s2 * 0,3 m3 / s * 10 m * 0,5 = 15 m5 / s3= 15m5/s3 * 1000 kg/m3 (dichte von wasser)
= 15000 J/s
= 15000 W
= 15kW
Power in kW (P); Fluss rate in m3/s (Q); Kopf in m (H); Schwerkraft konstante = 9,81 m/s2 (g); Effizienz faktor (feff) => 0.4 – 0.7 *
* Kleine Wasserturbinen haben selten einen Wirkungsgrad von mehr als 80%. Der Wirkungsgrad der Generatoren von ~ 90% und die Leistung gehen aufgrund von Reibungsverlusten auch in der Leitung verloren, die das Wasser zur Turbine führt. Ein grober Leitfaden für kleine Systeme mit einigen kW Leistung verwendet wird, um die Gesamteffizienz als etwa 50% zu nehmen. Daher muss die theoretische Leistung mit 0,50 multipliziert werden, um eine realistischere Zahl zu erhalten
Wenn eine Maschine unter anderen Bedingungen als Volllast oder Vollstrom betrieben wird, müssen andere signifikante Ineffizienzen berücksichtigt werden. Die Teilstrom- und Teillasteigenschaften der Ausrüstung müssen bekannt sein, um die Leistung unter diesen Bedingungen beurteilen zu können. Es ist immer vorzuziehen, alle Geräte bei den Nennauslegungsfluss- und Lastbedingungen zu betreiben, Dies ist jedoch nicht immer praktisch oder möglich, wenn der Flussfluss das ganze Jahr über schwankt oder wenn die täglichen Lastmuster erheblich variieren.
Abhängig von den Endnutzungsanforderungen der erzeugten Leistung kann der Ausgang der Turbinenwelle direkt als mechanische Leistung verwendet werden oder die Turbine kann zur Stromerzeugung an einen elektrischen Generator angeschlossen werden. Für viele ländlichen industriellen anwendungen welle power ist geeignet
(für lebensmittel verarbeitung wie fräsen oder öl extraktion, sägewerk, zimmerei werkstatt, kleine skala bergbau ausrüstung, etc.), aber viele Anwendungen erfordern Umwandlung zur elektrischen Energie. Für häusliche Anwendungen wird Strom bevorzugt.
Dies kann entweder:
- direkt zum Haus über ein kleines elektrisches Verteilersystem oder,
- kann mit Batterien versorgt werden, die periodisch zum Aufladen an das Kraftwerk zurückgegeben werden – dieses System ist üblich, wenn die Kosten für die direkte Elektrifizierung aufgrund von verstreuten Wohnungen (und damit eines teuren Verteilungssystems) unerschwinglich sind),
Bei Verwendung eines Generators wird normalerweise Wechselstrom (AC) erzeugt. Die einphasige Leistung ist bei kleinen Anlagen bis zu 20 kW zufriedenstellend, darüber hinaus wird jedoch 3-Phasen-Leistung verwendet, um Übertragungsverluste zu reduzieren und für größere Elektromotoren geeignet zu sein. Eine Wechselstromversorgung muss bei konstanten 50 oder 60 Zyklen / Sekunde gehalten werden, um einen zuverlässigen Betrieb aller elektrischen Geräte zu gewährleisten, die die Versorgung verwenden. Diese Frequenz wird durch die Drehzahl der Turbine bestimmt, die sehr genau geregelt werden muss.
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Geeignete Bedingungen für die Mikrowasserkraft
Die besten geografischen Gebiete für die Nutzung der Kleinwasserkraft sind diejenigen, in denen das ganze Jahr über steile Flüsse fließen, z. B. die Hügelgebiete von Ländern mit hohem ganzjährigen Niederschlag oder die großen Gebirgszüge und ihre Ausläufer wie die Anden und der Himalaya. Inseln mit feuchtem Meeresklima wie die Karibischen Inseln, die Philippinen und Indonesien sind ebenfalls geeignet. Niedrigkopfturbinen wurden für die kleinräumige Nutzung von Flüssen entwickelt, in denen eine kleine Förderhöhe, aber eine ausreichende Strömung vorhanden ist, um eine ausreichende Leistung bereitzustellen.
Um die Eignung eines potenziellen Standorts beurteilen zu können, muss die Hydrologie des Standorts bekannt sein und eine Standortuntersuchung durchgeführt werden, um die tatsächlichen Durchfluss- und Kopfdaten zu bestimmen. Hydrologische Informationen können von der Meteorologie- oder Bewässerungsabteilung erhalten werden, die normalerweise von der nationalen Regierung betrieben wird. Diese Daten geben ein gutes Gesamtbild der jährlichen Niederschlagsmuster und der wahrscheinlichen Niederschlagsschwankungen und damit der Strömungsmuster. Die Standortuntersuchung gibt detailliertere Informationen zu den Standortbedingungen, damit die Leistungsberechnung durchgeführt und die Entwurfsarbeiten beginnen können. Die Flussdaten sollten möglichst über einen Zeitraum von mindestens einem ganzen Jahr erhoben werden, um die Fluktuation der Flussflüsse in den verschiedenen Jahreszeiten zu ermitteln. Es gibt viele Methoden zur Durchführung von Durchfluss- und Kopfmessungen, die in den entsprechenden Texten zu finden sind.
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Turbinen
Eine Turbine wandelt die Energie im fallenden Wasser in Wellenkraft um. Es gibt verschiedene Arten von Turbinen, die auf verschiedene Arten kategorisiert werden können. Die Wahl der Turbine hängt hauptsächlich von der verfügbaren Druckhöhe und dem Auslegungsdurchfluss für die vorgeschlagene Wasserkraftanlage ab. Wie in Tabelle 2 unten gezeigt, werden Turbinen grob in drei Gruppen eingeteilt; hohe, mittlere und niedrige Förderhöhe und in zwei Kategorien: Impuls und Reaktion.
Tabelle 2: Klassifizierung der Turbinentypen:
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Kopf druck |
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Turbinenläufer |
Hoch |
Mittel |
Niedrig |
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Impuls |
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Reaktion |
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Der Unterschied zwischen Impuls und Reaktion kann einfach dadurch erklärt werden, dass die Impulsturbinen die kinetische Energie eines Wasserstrahls in Luft in Bewegung umwandeln, indem sie auf Turbinenschaufeln oder Schaufeln treffen – es gibt keine Druckreduzierung, da der Wasserdruck auf beiden Seiten des Laufrads atmosphärisch ist. Die Schaufeln einer Reaktionsturbine hingegen sind vollständig in den Wasserstrom eingetaucht, und der Winkel- und Linearimpuls des Wassers wird in Wellenleistung umgewandelt – der Druck des Wassers, das den Läufer verlässt, wird auf atmosphärisch oder niedriger reduziert.
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Lastfaktor
Der Lastfaktor ist die verbrauchte Leistung dividiert durch die verfügbare Leistung, wenn die Turbine kontinuierlich verwendet würde. Im Gegensatz zu Technologien, die auf kostspielige Brennstoffquellen angewiesen sind, ist der Brennstoff für die Wasserkrafterzeugung kostenlos und daher wird die Anlage kostengünstiger, wenn sie für einen hohen Prozentsatz der Zeit betrieben wird. Wenn die Turbine nur abends für die Hausbeleuchtung verwendet wird, ist der Pflanzenfaktor sehr niedrig. Wenn die Turbine tagsüber Strom für die ländliche Industrie liefert, abends die Inlandsnachfrage befriedigt und abends möglicherweise Wasser zur Bewässerung pumpt, ist der Pflanzenfaktor hoch.
Es ist sehr wichtig, einen hohen Anlagenfaktor zu gewährleisten, wenn die Regelung kostengünstig sein soll, und dies sollte bei der Planung berücksichtigt werden. Viele Systeme verwenden eine Dump-Last (in Verbindung mit einem elektronischen Lastregler – siehe unten), bei der es sich effektiv um einen Energiebedarf mit niedriger Priorität handelt, der überschüssige Energie aufnehmen kann, wenn ein Überschuss erzeugt wird, z. B. Warmwasserbereitung, Speicherheizungen oder Speicherkocher.
Laststeuerregler
Wasserturbinen, wie Benzin- oder Dieselmotoren, variieren in der Geschwindigkeit, wenn die Last angelegt oder entlastet wird. Obgleich nicht solch ein großes Problem mit Maschinerie, die direkte Wellenenergie verwendet, beeinflußt diese Geschwindigkeitsänderung ernsthaft Frequenz und Spannungsertrag von einem Generator. Traditionell änderten komplexe hydraulische oder mechanische Drehzahlregler den Durchfluss, wenn die Last variierte, aber in jüngerer Zeit wurde ein elektronischer Lastregler (ELC) entwickelt, der die Einfachheit und Zuverlässigkeit moderner Mikro-Hydro-Sets erhöht hat. Der ELC verhindert Drehzahlschwankungen, indem er kontinuierlich eine künstliche Last addiert oder subtrahiert, so dass die Turbine dauerhaft unter Volllast arbeitet. Ein weiterer Vorteil ist, dass das ELC keine beweglichen Teile hat, sehr zuverlässig und praktisch wartungsfrei ist. Das Aufkommen der elektronischen Laststeuerung hat die Einführung einfacher und effizienter Mehrstrahlturbinen ermöglicht, die nicht mehr durch teure Hydraulikregler belastet sind.
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