Mikroturbína a její využití pro výrobu marginálního množství elektrické energie

Vodní mikrozdroje jsou předmětem zájmu mnoha oborů a v poslední době nezůstává stranou ani jejich energetický potenciál. Souvisí to především s otázkami energetického zásobování jednotlivých spotřebních míst, ale také s globálními možnostmi efektivního využívání různých obnovitelných zdrojů energie.

Mikroturbína a její využití pro výrobu marginálního množství elektrické energie

Jejich potenciál není prozatím ani zdaleka využíván v takovém rozsahu, jaký by odpovídal objektivním možnostem ekologicky nezávadné a ekonomicky výhodné exploatace přímo v dané lokalitě. Na druhé straně je potěšitelné, že evropská energetická politika postupně směřuje k prosazování podpory technologií výroby energie z obnovitelných zdrojů a její využívání se stane pro její výrobce i komerčně zajímavé. Tato "čistá" energie bude hrát stále větší úlohu v řešení otázek znečištění emisemi skleníkových plynů či závislosti na energetických zdrojích z "potenciálně rizikových" zemí.

Existuje mnoho různě nákladných způsobů výroby energie z obnovitelných zdrojů. My si však uvědomujeme, že v našem okolí je poměrně mnoho dosud nepovšimnutých vodních mikrozdrojů, které představují snadno dostupný zdroj energie, se všemi přednostmi spojovanými s "obnovitelností", ať už je to zcela přírodní vodní zdroj či zdroj vytvořený lidskou činností (vložením energie do umělého vodohospodářského systému, na jehož konci "vytéká" nevyužitá energie).

V tomto ohledu stojí za zmínku možnosti vodního motoru, který je komerčně označován SETUR. Jedná se o tzv. odvalovací tekutinový stroj, který má svůj původ v ČR a jehož specifické vlastnosti umožňují využívat okrajové parametry vodních zdrojů. To znamená takové marginální veličiny potenciálních energií vody, které nejsou prozatím z důvodu "potenciální nedostatečnosti" energeticky využitelné. S těmi se můžeme setkat v hojné míře ve vodárenských provozech nebo také v čistírnách odpadních vod, kde velmi často nestabilní průtoky, a někdy dokonce i měnící se spády, neumožňují instalovat známé vodní mikroturbíny za účelem rekuperace alespoň nepatrného množství elektrické energie vložené do příslušného technologického procesu.

Změna uvedené situace může v budoucnu nastat se zavedením nových technických zařízení, která budou schopna efektivně a ekologicky zcela nezávadně určitý vodní mikrozdroj transformovat na využitelný výkon. Praktické zkoušky a dlouhodobé testování odvalovacího principu ukazují, že jedna z možností kvalitativní změny ve využívání mikrozdrojů spočívá i ve správném nastavení a praktickém využívání uvedeného vodního motoru Setur. Dříve než podrobněji popíšeme možnosti jeho instalace ve vodárenských provozech nebo čistírnách odpadních vod, uveďme alespoň v krátkosti několik podrobnějších informací o historii jeho vzniku a možnostech využívání.

Koncem minulého století, v polovině 90. let, byl do praxe uveden a na několika místech instalován nový vodní motor. Podstata jeho fungování souvisí do značné míry s hydrodynamickým jevem, který není dosud v literatuře podrobněji popsán ani vysvětlen. Nastává za určitých podmínek v prostoru mezi vnitřní stěnou konfuzoru a povrchem tělesa osově symetrického tvaru, které je umístěno ve vstupní části konfuzoru a plní funkci rotoru. Je to v podstatě fluidní turbína, která bývá nejčastěji nazývána ROLLING FLUID MACHINE (podle Evropského patentu EP 1 015 760 B1) nebo HYDRAULIC MOTOR (podle Evropského patentu EP1 082 538 B1). Rotor má obyčejně podobu duté polokoule nebo komolého kuželu a jeho obíhání uvnitř konfuzoru je způsobeno řadou faktorů a souvislostí, které můžeme schématicky nazvat "odvalovacím jevem".

Koncepce této fluidní turbíny může mít dvě základní verze. První z nich je taková, kdy rotor ve výtokovém konfuzoru "visí" na hřídeli, se kterou je pevně spojen. Druhá spočívá v tom, že rotor je v konfuzoru "podepřen" a také je pevně spojen s hřídelí. Toto rozdílné uspořádání má vliv na některé parametry stroje a také na možnosti jeho použití, protože při něm dochází k rozdílnému obtékání rotoru a tím k odlišným podmínkám uplatňování odvalovacího jevu. Pracovní médium přitom vždy vstupuje do mezery mezi rotorem a konfuzorem ve směru proti největšímu průměru rotoru. Příklad mikroturbíny s podepřeným rotorem je na obrázku číslo 1 a koncepce zavěšeného rotoru je znázorněna na obrázku číslo 2.

Oba dva typy mohou v energetické aplikaci pracovat s průtoky od několika litrů vody za sekundu do několika stovek litrů za sekundu a na spádech od cca 0,4 metru do 40 - 50 metrů. Mechanická účinnost stroje se pohybuje v závislosti na konkrétních podmínkách instalace od 40 do 70 %. Vyráběná elektřina má obyčejně napětí 24 V a je určenaakumulaci a využití v tzv. ostrovním provozu. (Co je vyrobeno, je akumulováno a spotřebováno v místě instalace).

Ověřovací poloprovoz ve vodárenském provozu
Za účelem ověření možností výroby marginálního množství elektrické energie byl zahájen poloprovoz odvalovací mikroturbíny v úpravně vody Vodáren a kanalizací Karlovy Vary a.s. (Vodakva) ve Žluticích. Předmětem poloprovozu byla zdokonalená verze mikroturbíny, která je výsledkem řešení Výzkumného záměru MSM6840770006, na kterou byla dne 19. 6. 2008 podaná patentová přihláška číslo 2008-382 a dne 15. 9. 2008 byl na uvedené zdokonalení vydán Úřadem průmyslového vlastnictví ČR Užitný vzor s číslem zápisu 18890. V tomto dokumentu je publikováno kinematické schéma celého zařízení a popis materiálů použitých v rámci konstrukce mikroturbíny. Novost technického uspořádání podstatných prvků spočívá v nových částech turbíny, které umožňují přenos mechanického výkonu, jež má podobu rotující a zároveň precesně se pohybující hřídele mikroturbíny, na hřídel generátoru elektrické energie. Podrobněji jsou tyto části popsány v patentových nárocích podané patentové přihlášky a rozkresleny ve výrobní dokumentaci, která byla zpracována výrobcem prototypu - firmou Mechanika Králův Dvůr s.r.o.

Stroj, který byl v rámci experimentálního poloprovozu využíván k výrobě elektrické energie, je vhodný pro průtoky 3 - 7 l/s a spád 3 - 7 m. Množství vyrobené elektřiny se (při použití vhodného pomaluběžného generátoru) pohybuje (v závislosti na konkrétních hodnotách spádu a průtoku) v rozmezí cca 0,6 - 2 kWh za jeden den. Na obrázku číslo 3 je znázorněna instalace popisované mikroturbíny a obrázek číslo 4 ukazuje funkci elektrické zátěže. V rámci poloprovozu byly z hlediska definovaného cíle sledovány především tyto parametry:
- chod stroje (v závislosti na vstupních hodnotách - ano/ne),
- otáčky hřídele generátoru, (byly zároveň výrazem otáček turbíny),
- funkce elektrické zátěže (elektrický výstup z generátoru - ano/ne),
- vizuální hodnocení stroje (hlučnost, stabilita: normální vibrace/zesílené vibrace),
V případě poruchy byl vypracován slovní popis události, resp. následků, které se projevily.

Za velmi hodnotné můžeme považovat záznamy otáček stroje (viz graf níže), které dokládají jeho schopnost zpracovávat dostatečně efektivně různé vstupní parametry, tedy měnící se hodnoty průtoku a spádu. Jiná možnost využití mikroturbíny spočívájejí instalaci například na výtoku vody z ČOV, kde může být výhodně použita verze podle schématu z obrázku č. 2 (tzv. kotlový typ). Příklad takové mikroturbíny určené pro zahájení poloprovozu ve Vodakva na provozním středisku kanalizací - čističce odpadních vod ve Stříbře je na obrázku číslo 5. Tubus je vysoký 2,2 metru a rotor má průměr 170 mm. Předpokládaný průtok je 12 - 26 litrů za sekundu a výhodou tohoto stroje je opět schopnost zpracovávat nepřetržitě se měnící vstupní parametry. Předpokládaná denní produkce elektřiny (generátor 24 V / 240 W) okolo 2,1- 2,6 kWh bude akumulována a následně využita prostřednictvím měniče pro běžné elektrické spotřebiče využívající napětí 230 V.

Závěr
Experimentální poloprovoz potvrdil, že mikroturbína dokáže využít velmi omezený a nestabilní vodní zdroj nalézající se v úpravně vod vodárenského zařízení a vyrobit za den až 2 kWh elektrické energie pro ostrovní využití. Z hlediska technického řešení poloprovoz přinesl nové poznatky o materiálovém řešení mikroturbíny. Ukázalo se, že turbína je efektivním prostředkem pro rekuperaci energie vložené do vodárenského systému. Zobecněním těchto závěrů jsme došli k poznatku, že pro tuto novou formu úspor energií se naskýtá další široká oblast uplatnění, a to v provozovnách čistíren odpadních vod.
M. Sedláček, J. Frková

Vyhledávač stavebních pojmů

Nechte si zasílat měsíční newsletter

Na facebooku

NAŠI PARTNEŘI Další partneři