LKRHNIKI FKUL UNIVRZI ISN SRVO

MALE HIDROELEKTRANE

PROJEKAT 2

Studi: I ciklus dsk: Elektroenergetika

Studnt: Ernad abanovi, 1186

ntr:

Mr. Nada Baji

Istn Srv, avgust, 2014.

Male hidroelektrane

ii

SDR:

1 UVD ..................................................................................................................................... 1

2 PREDNOSTI I MANE MALE HE .......................................................................................... 2

3 TIPOVI MALIH HIDROELEKTRANA .................................................................................. 2

3.1 Protone male HE ............................................................................................................. 3

3.2 Male HE sa akumulacijom ................................................................................................. 5 4 SNAGA HIDROELEKTRANE ............................................................................................... 7

5 MJERENJE PROTOKA I PADA ............................................................................................ 8

5.1 Mjerenjem rezervoarom .................................................................................................... 8 5.2 Mjerenjem plovkom i poprenog presjeka ......................................................................... 9 5.3 Mjerenje pomou pregrade ................................................................................................ 9 5.4 Mjerenje pada .................................................................................................................. 10

6 IZBOR OSNOVNE OPREME ZA MALE HE ....................................................................... 12

6.1 Hidraulike turbine .......................................................................................................... 12

6.1.1 Princip izbora hidraulike turbine ............................................................................. 15

6.2 Izbor generatora .............................................................................................................. 16

6.3 Upravljaki sistemi .......................................................................................................... 19 7 INVESTICIONI TROKOVI ................................................................................................ 20 8 ZAKLJUAK ....................................................................................................................... 23

9 LITERATURA ...................................................................................................................... 24

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 1

1 UVD

Globalni razvoj drutva je uveliko povezan sa obezbjeivanjem elektrine energije. Trend rasta potreba na svjetskom nivou iznosi oko 2,8 % godinje. Ako se uzme proizvodnja elektrine energije samo iz konvencionalnih izvora nemogue je odgovoriti na sve potrebe potroaa. Osim to su ogranieni resursi, fosilna goriva znaajno zagauju i Zemljinu atmosferu. Zbog ovih navedenih razloga kao rjeenje se namee potreba za istraivanjem i razvijanjem obnovljivih izvora energije. Zasigurno voda predstavlja najekonominiji i najpouzdaniji obnovljivi izvor energije. Hidroenergija uestvuje i do 97 % ukupne energije dobivene iz obnovljivih izvora [8]. Izgradnja objekata za iskoritavanje obnovljivih izvora postaje ne samo potreba ve i obaveza. Naime, Evropska Unija je obavezala sve lanice, u formi direktive (Directive 2001/77/EC), da u precizno definisanoj mjeri, srazmjerno prirodnim resursima, poveaju uee obnovljivih izvora u nacionalnoj prizvodnji elektrine energije [1]. Upravo ovim radom se ele predstaviti male hidroelektrane (HE) kao i svi podsistemi koje ine jedan ovakav energetski izvor. U prvom dijelu rada e biti opisani tipovi realizovanih malih HE. U nastavku e biti opisan nain mjerenja hidropotencijala koji predstavalja prvi i najvaniji korak prilikom projektovanja neke male hidroelektrane. U drugom dijelu rada e biti izloeni osnovni tipovi i karakteristike hidraulikih turbina, generatora i sistema kontrole i zatite.

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 2

2 PREDNOSTI I MANE MALE HE

Najvanija prednost obnovljivih izvora energije, pa tako i male HE, je smanjena ili u potpunosti eliminisana emisija tetnih plinova. Glavni razlog je to ne koriste fosilna goriva kao pokreta turbine time elektrina energija nastala u maloj HE postaje rentabilnija te nezavisna o cijeni i ponudi fosilnih goriva na tritu. Osim toga ekonomski je isplativija i zbog zahtjeva male HE na jako mal broj radnika, zbog velikog stepena automatizacije o emu je bilo rijei u podnaslovu upravljaki sistemi. Male HE se u potpunosti moraju svojim oblikom i veliinom konstruktivnih elemenata uklopiti u okolinu i podrediti ostalim izgraenim objektima i korisnicima prostora i vode. Pored toga regulacijom vodotoka sprjeavaju mogue poplave, a mogu se i lahko ugraivati u ve postojee objekte za vodosnabdjevanje i navidnjavanje. Kako su locirane izvan nseljenih mjesta nivo buke je ispod doputenih i preporuenih nivoa. Ono to se prigovara malim HE jeste da ipak imaju uticaj na ekologiju, pogotovo ako postoji mala akumulacija jer je mogue da doe do prezasienja vode gasovima iz vazduha ili da u donjim slojevima bude manje kisika to se moe negativno odraziti na biljni i ivotinjski svijet u rijeci. Krenjem ume na terenu oko male HE dovodi do pojave klizita to moe da izazove promjene toka tekuih voda. Kako bi se zatitila populacija riba neophodno je izgraditi (pogotovo kod akumulacionih) zaobilazne kanale koje e omoguiti ribama da zaobiu mainsku 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 mehaniku energiju posredstvom turbine, a zatim u elektrinu energiju u samom generatoru. Razlika izmeu velike i male HE se ogleda u instalisanoj snazi. Opet ta granina snaga se razlikuje od zemlje do zemlje. Pa zemlje poput panije, Grke, Belgije, Portugala su prihvatili 10 MW kao gornju granicu instalisane snage za male HE. U Italiji je ta granica 3 MW, u vedskoj 1,5 MW, u Francuskoj 8 MW, u Indiji 15 MW i u Kini 25 MW. U Europi se sve vie prihvaa kapacitet od 10 MW i tu granicu su podrali europsko udruenje malih hidroelektrana (ESHA) i Europska komisija[2].

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 3

Jedna mala HE se sastoji od svih objekata i dijelova koji slue za akumulaciju, dovoenje i odvoenje vode, za pretvaranje mehanike u elektrinu energiju, za transformaciju i razvod elektrine enrgije. Neke dijelove, u zavisnosti od tipa HE, se upotpunosti izostavljaju, a neki mogu i da preuzmu na sebe vie funkcija. Male HE mogu biti protone ili akumulacione. Ukoliko postoji akumulacija mainska zgrada moe biti u podnoju brane (pribranska HE) ili udaljena od vodozahvata od koga se doprema voda kanalom ili cjevovodom (derivaciona HE).

3.1 Protone male HE Ova vrsta male HE je direktno zavisna od raspoloivog protoka jer ne posejduje nikakvu akumulaciju. Stoga rijeka ukoliko presui ili ukoliko njezin protok padne ispod nekog ve unaprijed odreenog minimuma HE prestaje sa radom. Kako nemaju branu ove HE praktino nemaju negativan uticaj na biljni i ivotinjski svijet rijeke. Primjer jedne protone HE je dat na slici 2.1.1.

Slika 2.1.1. Sistem protone HE

U sluaju srednjih i velikih padova grade se ustave pomou kojih se voda preusmjerava do vodozahvata. Nastoje se izbjei, ukoliko je to mogue, cjevovodi sa pritiskom jer nisu ekonomini. Pa kao rjeenje se javlja gradnja kanala sa blagim nagibom do postrojenja za obradu vode, a odatle do mainske zgrade sa to kraim cjevovodom. Na izlazu iz turbine voda se ponovno isputa u rijeku preko odvodnog kanala, slika 2.1.2. [7].

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 4

Slika 2.1.2. Protona HE sa srednjim i velikim padom: 1-jezero, 2-ustava, 3-kanal, 4-tunel, 5-obrada vode, 6-cjevovod, 7-mainska zgrada, 8-odvod, 9-rijeka

U sluaju malog pada postoje dva rjeenja i to sa kratkim cjevovodom i turbinom u horizontalnoj ravni i kanalom i turbinom u vertikalnom poloaju, slika 2.1.3 i slika 2.1.4. respektivno. U oba sluaja voda se dovodi do mainske zgrade kratkim cjevovodom, kao to je to bio sluaj sa velikim padom. Ponekad se taj pad uspostavlja sa odreenom ustavom uz uslov da postoji selektivan ulaz prije mainske 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, 3-cjevovod, 4-odvod vode

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 5

Slika 2.1.4. Mala HE sa dovodnim kanalom i vertikalnom turbinom: 1-mainska zgrada, 2-generator, 3-turbina

3.2 Male HE sa akumulacijom Gradnja zasebne brane za male HE je ekonomski neprihvatljiva. No meutim ukoliko ve postoji neka brana koja je izgraena radi zatite od poplava, za navodnjavanje i slino, mogue je iskoristiti za proizvodnju elektrine energije opet uz potovanje primarne namjene akumulacije. U tom sluaju postoje dva mogua rjeenja. Ako brana ve ima ispusni otvor na dnu, mogua izvedba male HE je prikazana na slici 2.2.1. Ukoliko brana nije previsoka moe se ugraditi sifonski dovod, slika 2.2.2. Time se postie efikasna izvedba postrojenja, najee do visine 10-tak metara i sa snagom do 1 MW. Postoji ipak male iznimke, a to su vedska sa instalisanom snagom sa sifonskom malom HE-om od 11 MW i SAD-e sa visinom i do 30,5 m [1]. Turbina moe biti smjetena na vrhu ili na nizvodnoj strani brane.

Slika 2.2.1. Mala HE sa postojeom akumulacijom

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 6

Slika 2.2.2. Mala HE sa sifonskim vodozahvatom

Kanali namjenjeni za navodnjavanje mogu biti iskoriteni za izgradnju malih HE. Ukoliko se elektrana planira zajedno sa gradnjom kanala tada je mogua izvedba prikazana na slici 2.2.3. Tada je kanal neto iri da bi se mogla ugraditi pratea oprema male HE. Osim toga kanal mora zasebno posjedovati i ispusne dijelove kako bi nesmetano prolazila voda ukoliko je elektrana van pogona. Ukoliko ve postoji kanal, tada je mogua izvedba sa slike 2.2.4. Potrebno je blago proiriti kanal radi izgradnje vodozahvata i ispusnih (prelivnih) dijelova kanala. Voda do turbine se dovodi cjevovodom pod pritiskom, a u kanal se vraa 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

abanovi Ernad 7

Slika 2.2.4. Mala HE unutar kanala za navodnjavanje

4 SNAGA HIDROELEKTRANE

Ako posmatramo vodeni tok sa padom h i naznaenim protokom Q , potencijalna energiju pdE se moe zapisati [1]:

podE g h dm g h Q dt h Q dtg = = = (3.1)

Za elementarnu masu vode dm moe se zapisati:

dm Q dtg

= (3.2)

gdje su: - specifina teina vode 3Nm

, 29,81mgs

=

i t- vrijeme.

Pa je odgovarajua snaga: po

po

dEP h Q

dt= = (3.3)

Kao to se vidi iz izraza (3.3) snaga postrojenja direktno zavisi od raspoloivog pada i protoka vode. Tehniki iskoristiva energija vodotoka je umanjena za gubitke u cjevovodima uslijed trenja, to se definie kroz neto pad nH :

n bH H gubici= (3.4)

gdje je bH - bruto (prirodan) pad vode. Na osnovu prethodnog zakljuka moe se izvesti maksimalna snaga male HE, a samim time i koliina elektrine energije koja se oekuje na odreenom vodenom toku [1]:

max NP g H Q = (3.5) gdje oznaava ukupne gubitke, tj. gubitke u cjevovodu, turbini i generatoru. Pa na osnovu toga se kree od 0,50,8. Za vea postrojenja i stepen iskoritenja male HE ( ) je vei.

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 8

5 MJERENJE PROTOKA I PADA

Mjerenje protoka i pada na odreenoj rijeci predstavlja prvi i najvaniji korak prilikom projektovanja jedne male HE. Na osnovu tih podataka iz izraza (3.5) se moe priblino predvidjeti koliko elektrine energije u toku jedne godine HE moe obezbjediti. Postoje razliite metode mjerenja raspoloivog protoka od standardnih i jednostavnih do modernih i sloenih. Dijele se u nekih etiri metode [6]:

mjerenjem rezervoarom, mjerenjem plovkom i poprenog presjeka, pomou 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]. Nain izvedbe je jednostavan. Potrebna je jedna cijev sa kojom e se voda dopremati do posude ili rezrvoara ija je zapremina poznata. Prati se i vrijeme za koje e se ta posuda napuniti i jednostavnim izrazom se dobiva traeni protok:

VQt

= (4.1.1.)

Slika 4.1.1. Ilustracija mjerenja protoka pomou rezervoara

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 9

5.2 Mjerenjem plovkom i poprenog presjeka Ova metoda se koristi za protoke vee od 20 l/s, slika 4.2.1. [1]. Potrebno je znati da je brzina rijeke na dnu jednaka nuli dok je na povrini maksimalna. Pa je empirijskim putem utvreno da vai zavisnost izmeu prosjene brzine v i maksimalne brzine maxv i ona iznosi: max0,8v v= . Mjerenje

maxv se vri tako to se niz rijeku pusti plovak i na ve odereenom rastojanju mjeri vrijeme za kojeg e taj plovak prei.

max

sv

t= (4.2.1.)

Slika 4.2.1. Ilustracija mjerenja protoka pomou plovka

Vrijednost poprenog presjeka se procjenjuje mjerenjem dubine na nekoliko mjesta i koritenjem sljedeeg izraza[1]:

( )( ) ( )( ) ( )1 1 2 1 1 2 3 2 2 3 4 31 1 1 12 2 2 2A y z y y z z y y z z y y= + + + + + (4.2.1.) Pa je na kraju vrijednost protoka jednaka:

max0,8Q v A v A= = (4.2.2.)

5.3 Mjerenje pomou pregrade Ova metoda je idealna ukoliko se eli izraunati protok rijeke tokom cijele godine, slika 4.3.1. Za pregradu se mogu koristiti razliiti materijali, ali je metal najbolji zbog svojih otrih ivica. Pad mora biti projektovan tako da ne dolazi do talasanja na ulazu u otvor ve da voda otie bez ikakve smetnje. Ono to predstavlja tekou jeste ne mogunost lahkog uspostavljanja veze izmeu pada i protoka i osim toga za samu izvedbu je potrebno veliko umijee i iskustvo. Na slici 4.3.2. je ilustrovana priblina visina i mjera kojom se treba voditi za to efikasnije mjerenje [1]. Pa na osnovu tih dimenzija protok se moe dobiti iz sljedeeg izraza:

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 10

321,8 (W 0,2 h) hQ = (4.3.1.)

Slika 4.3.1. Prikaz izgraene 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 izmeu vodozahvata i mjesta gdje se planira instalacija turbine. Postoji i u ovom sluaju nekoliko metoda. Najstarija metoda zasnovana je na mjerenju razliitih nivoa te njihovih sumiranja kao konaan izmjeren pad. Prilikom projektovanja za ovu metodu je potrebno paziti da mjerna daska uvijek ide pod pravim uglom sa daskom koja je privrena za prvi vrsti dio zemlje. Sve je prikazano na slici 4.4.1. [6].

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 11

Slika 4.4.1. Ilustracija mjerenja pada pomou dasaka

Neto jednostavnija metoda jeste koritenjem gotovih ureaja koji su namjenjeni upravo za mjerenje visine. Postoje razliite vrste kao i principi po kojima ti ureaji 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 to altimetar zahtjeva brzo mjerenje i stabilne vremenske prilike. Ne mogue je vriti mjerenja sa ovim ureajem na visinama ispod 50 m.

Slika 4.4.2. Primjer altimetra (visinomjera) lijevo i klinometra desno

Sljedei praktian ureaj jeste klinometar koji slui za precizno mjerenje ugaonih promjena nagiba, a zasnovan je na jako osjetljivoj libeli1, slika 4.4.2. [6]. Ostali ureaji su mnogo sofisticiraniji i najee posjeduju i vie mjernih podataka, a za njihovu upotrebu je potrebno struno lice. Meu tim ureajima su: nivelir, teodolit i totalna stanica, slika 4.4.3.

1 Libela je geodetski mjerni instrument koji slui za postavljanje osi u vertikalan ili horizontalan poloaj.

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 12

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 e u nastavku ovog rada biti dat kratki opis pojedinih dijelova gdje e se iznositi prednosti kao i mane izabranih rjeenja. Prije svega mala HE mora biti predviena za odreenu lokaciju, to znai da treba optimalno da iskoritava potencijalnu energiju vode na lokaciji, ali i da vodi rauna o moguem negativnom uticaju na okolnu prirodu.

6.1 Hidraulike turbine Izbor hidraulike turbine se vri na osnovu izraunatih vrijednosti pada i protoka odreene rijeke. Zbog toga nije mogue jednom vrstom turbine postii visok stepen iskoritenja pri razliitim padovima i protocima. Kako se energija vodenog toka moe razloiti na akcijsku i reakcijsku komponentu tako i postoje akcijske i reakcijske turbine shodno koritenju energije vodenog toka, slika 5.1.1.

Slika 5.1.1. Primjer reakcijske (lijevo) i akcijske (desno) turbine Akcijske turbine se najee koriste u malim HE i to na mjestima sa malim protocima. Kod ovih turbina energija vode se pretvara u kinetiku pomou dovodnog kanala (mlaznika). Ne postoji

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 13

nikakav pad pritiska na turbini. U ovu grupu spadaju Peltonova turbina, Turgo turbina i Banki-Miel-Obsbergova turbina [1]. Peltonova turbina se koristi za padove vee od 100 - 1800 m, slika 5.1.2. Kontrola protoka se vri pomou mlaznica kojih moe biti maksimalno 6. Korisiti se za relativno male brzine protoka. Stepen iskoritenja je visok i razlikuje se u zavisnosti od broja mlaznica, pa tako sa jednim mlaznikom 0,91 = , a sa etiri mlaznika 0,9 = .

Slika 5.1.2. Primjer Peltonove turbine Turgo turbine, slika 5.1.3., koriste se za padove u opsegu 50250 m. U poreenju sa Peltonovom turbinom brzina obrtanja Turgo turbine je via pri istom padu i protoku, ali je stepen iskoritenja manji oko 0,85 = .

Slika 5.1.3. Rotor i protok Turgo turbine

Reakcijske turbine se koriste za vea 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 15700 m. Koristi se za srednje brzine protoka. Krase je relativno visok stepen iskoritenja 0,96 = kod savremenih, a neto manji kod starijih izvedbi i iznosi 0,94 = . Osnovna prednost Francisove turbine je mogunost da radi u razliitim konstrukcionim izvedbama. Mogue je koristiti i sa vertikalnom i sa horizontalnom izvedbom, slika 5.1.4. Kod malih HE do 5 MW je esta izvedba sa vertikalnom Francisovom turbinom. Za mjesta sa malim padovima i otvorenim dovodm vode Kaplanove turbine su bolje rjeenje i u tehnikom i u ekonomskom smislu od Francisove [5]. Koriste se kod jako malih padova u opsegu

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 14

od 570 m, i jako brzih protoka. Ono to krasi ove turbine jeste dvojna regulacija, odnosno protok vode kroz turbinu se moe regulisati preko mlaznice i zakretanjem lopatica obrtnog kola. Upravo zbog toga i sama efikasnost turbine se poveava za razliite koliine vode (protoka). Ta efikasnost dosee i do 0,93 = kod regulacionih, odnosno 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. ema Francisove turbine

Slika 5.1.5. ema Kaplanove turbine

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 15

6.1.1 Princip izbora hidraulike turbine

Izbor najboljeg tipa turbine, ali i generatora, prvenstveno zavisi od karakteristike lokacije male HE, veliine pada, protoka, eljene snage na izlazu i brzini generatora. Svaku turbinu male HE opisuju dvije osnovne karakteristike: snaga-brzina i stepen iskoritenjabrzina. U ovom dijelu rada e biti predstavljen nain 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 to se moe zakljuiti iz prethodne slike jeste da Francisova turbina ima vrlo prihvatljive brzine za irok opseg kombinacija izlaznih snaga i neto pada. Zbog toga su Francisove turbine jako este u primjeni iako im je konstrukcija relativno sloena i imaju neto slabiji stepen iskoritenja pri smanjenju protoka. Akcijske turbine su znatno vee za iste uslove rada, a samim tim i skuplje, i zahtjevaju znaajno poveanje prenosne brzine.

Slika 5.1.1.2. Stepen iskoritenja malih HE

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 16

Na slici 5.1.1.2. je dat stepen iskoritenja pojedinih tipova turbina u odnosu na protok. Ukoliko se pretpostavi da su ureaji za upravljanje protokom dobro podeeni, Pelton i Turgo turbine zadravaju svoj visok stepen iskoritenja i pri smanjenom protoku, dok kod Francisove i propelerne turbine stepen iskoritenja drastino opada ako je protok ispod polovine projektovanog. Kao zakljuak se moe uzeti da je najbolji stepen iskoritenja reakcijskih turbina ako je protok izmeu 80 i 100 %, dok je za 20 % odnosno 40 % protoka stepen iskoritenja nula. Manja radna kola zahtjevaju manje materijala i vee brzine obrtanja, a samim tim i niu cijenu. U tabeli ispod su date pribline vrijednosti obrtanja pojedinih tipova turbina u zavisnosti od vrijednosti pada.

Tabela 5.1.1. Klasifikacija turbina prema brzini i padu [7]

Tip turbine Vrijednost brzine [o/min] Vrijednost pada [m]

Kaplan L 350 500 30 40

M 501 750 10 30

F 751 1100 10

Francis L 50 150 110 300

M 151 250 50 110

F 251 450 50

Pelton 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 zalijeu prije nego se prikljue na mreu. Zbog potrebe da se izjednae napon, frekvencija i fazni ugao sa mreom jer samo u takvom stanju sinhroni generator moe da se prikljui to se naziva proces sinhronizacije. Ukoliko se napaja tim generatorom direktno neki potroa tada se mora paziti na napon koji opet zavisi od samog potroaa. Sinhroni generatori zahtjevaju pobudu jednosmjernim naponom. To se moe obezbjediti na vie naina. To moe da bude mali DC generator najee snage od 0,5 % - 1.0 % ukupne snage generatora [4]. Pored toga mogue je koristiti i mali generator koji posjeduje svoj namotaj na statoru, a koji stvara naizmjeninu struju u rotoru. Na samoj osovini se nalazi dobro privren ispravlja koji tu AC struju pretvara u DC oblik i tako napaja pobudni namotaj glavnog generatora bez upotrebe etkica. Time je mogua i uspjena naponska regulacija koja se vri kontrolom struje u namotajima malog

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 17

generatora. I kao najefikasnija pobuda predstavlja mree preko koje se dobiva AC napon i preko ispravljaa se za pobudni namotaj obezbjeuje DC napon. Osim efikasnosti ovaj nain ima prednosti i u jako dobrom vladanju sa naponskim oscilacijama na generatoru. Danas postoje i sinhroni generatori koji ne zahtjevaju spoljanju pobudu, a to su sinhroni generatori sa stalnim (permanentnim) magnetima. Ove generatore krasi jako velika efikasnost koja moe dosei i do 97 %. este su izvedbe ovih generatora sa upravljakim sistemom (o kojem e kasnije biti vie rijei) koji regulie efikasnost generatora promjenom njegove brzine. Jedna od takvih primjera jeste integrisana izvedba turbine u sami generator. Ta konstrukcija je bazirana na upotrebi cjevastih turbina iji se rad zasniva na promjeni pritiska vode koja prolazi kroz turbinu i na taj nain 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 to u mnogome smanjuje same investicione trokove. Moment se prenosi posebnim vanjskim prstenom koji predstavlja dio turbine. Ovaj sistem je jednostavan, izdrljiv i pouzdan [11], te ne zahtjeva neko posebno odravanje. Stalni (permanentni) magneti su smjeteni sa vanjske strane prstena, a razmak izmeu magneta je ispunjen epoksidnom smolom. Oba glavna dijela generatora (unutranji dio statora i vanjski dio rotora) su zatieni vodootpornom cijevima. Takva izvedba ima i dodatnu prednost jer ta voda koja tee kroz otvor izmeu rotora i statora dodatno hladi namotaje statora kao i permanentne magnete. Upravljake lopatice usmjeravaju vodu na same lopatice turbine koje time uzrokuju njihovo obrtanje. Te upravljake lopatice mogu biti prilagoene tako da omogue maksimalnu moguu efikasnost sistema za irok dijapazon protoka i proizvedene elektrine energije. Ureaji energetske elektronike se mogu uspjeno iskoristiti za promjenu brzine sinhronog generatora sa stalnim magnetima u cilju dobivanja vee efikasnosti sistema. Ta promjena brzine kod ovih generatora moe biti u dijapazonu -60 % +30 % u odnosu na naznaenu vrijednost. U ovom sluaju sistem energetske elektronike se sastoji od ispravljaa i invertora kao i pratee upravljake opreme. Najprije se dobiveni naizmjenini napon ispravlja u DC oblik te se nakon toga posredstvom invertora predaje mrei preko transformatora ili prigunice (to je rijedak sluaj).

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 18

Za razliku od sinhronog, asinhronom generatoru je potrebna naizmjenina pobuda. I ona se najee dobija preko mree. Samim tim i brzina obrtanja je direktno zavisna od uestanosti mree, pa asinhroni generator ne moe da radi u otonom radu. Ukoliko se mala HE prilkjuuje na stabilnu mreu i ukoliko je snaga manja od 1 MW preporuuje se upotreba asinhronog generatora, jer su mnogo jeftiniji od sinhronog za te vrijednosti snaga, a razlika u efikasnosti nije toliko izraena. U tabeli 5.2.1. su date maksimalne vrijednosti stepena iskoritenja asinhroni generaotra za snage do 1 MW [1].

Tabela 5.2.1. Maksimalan stepen iskoritenja asinhronih generatora za naznaene snage

Naznaena snaga [kW] Maksimalna vrijednost stepena iskoritenja

10 0,91

50 0,94

100 0,95

250 0,955

500 0,96

1000 0,97

U nastavku rada e vie biti govora o izboru broja polova asinhronog generatora za male HE jer se oni ee koriste. esto pri projektovanju malih HE brzine turbine i generatora nisu jednake, odnosno brzina generatora je vea u odnosu na brzinu turbine. Kao rjeenje se uzima miltiplikator ili drugi ureaji za poveanje brzine. Po pravilu, odnose brzine turbine i generatora koji su vei od 3:1 treba izbjegavati, dok se tei da postoji odnos brzina manji od 2,5:1. Ukoliko se nastoji izbjei multiplikator tada se tei da asinhroni generator ima vei broj polova otprilike iznad 14, jer se time uveliko smanjuje brzina obrtanja. Dok kod manjeg broja polova multiplikator je skoro pa obavezan.

60 fn

p

= (5.2.1.)

Opet sa druge strane efikasnost asinhronog generatora sa veim brojem polove je manja. Zato to magnetno polje mora presjecati procjep vie puta to uzrokuje poveanje struje magneenja i smanjenje faktora snage[9]. Na slici 5.2.2. je data efikasnost asinhronih generatora sa razliitim vrijednostima polova u funkciji snage turbine. I sa slike se moe zakljuiti da je efikasnost generatora sa manjim brojem polova vei, a u tome najvie se istie etveropolni generator i to sa kaveznim rotorom od bakra (4p).

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 19

Slika 5.2.2. Efikasnost asinhronog generatora sa razliitim brojem polova u funkciji snage turbine Osim toga snaga gubitaka kod etveropolnog generatora je najmanja dok ostali generatori imaju vee gubitke od kojih se etrnaestopolni najvie istie, slika 5.2.3.

Slika 5.2.3. Gubici asinhronog generatora sa razliitim brojem polova u funkciji snage turbine

6.3 Upravljaki sistemi Regulator brzine ima ulogu da prati brzinu obrtanja i to na osnovu optereenja. Naime, ukoliko nebi bilo tog regulatora generator bi umanjio jako svoju brzinu prilikom prikljuenja nekog potroaa, odnosno poveao bi jako brzinu ukoliko bi se potroa iskljuio sa njegovih prikljuaka, gdje bi se napon i frekvencija znatno poveali. Senzor brzine detektuje odstupanja te zatim alje signal za pobudu servo motora koji upravlja dotokom vode na turbinu. Pored toga novije izvedbe ovog sistema (sistem upravljanja optereenja) omoguuju i postavljanje prioriteta u koritenju proizvedene elektrine energije. Ovaj ureaj moe upravljati i napraviti prioritete za est ili vie razliitih optereenja [4]. Upravljaki sistem kod asinhronih generatora je mnogo jednostavniji jer je brzina obrtanja u funkciji frekvencije mree na kojoj je prikljuen. Ipak u sluaju kada se generator iskljui sa mree brzina obrtanja osovine se znatno povea. Zbog toga je potrebno da se instalira onaj generator i multiplikator koji moe izdrati sva optereenja do trenutka kada se dotok do turbine upotpunosti prekine.

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 20

U novije vrijeme nastoji se uspostaviti potpuna automatizacija upravljakog sistema male HE to ukljuuje: zatita za potpuno iskljuenje generatora i turbine, praenje operacija generatora i signalizacija vanrednih stanja, kontrola ugla lopatica turbine u funkciji protoka, automatsko spajanje male HE na mreu [7]. Potpuna ili polovina automatizacija i kontrola se moe uspjeno ostvariti upotrebom PLC-a (Programmable Logic Controller) odnosno programabilnim logikim kontrolerom [12]. PLC predstavlja uopteno digitalni elektronski ureaj koji ima mogunost pohrnanjivanja logikih naredbi kao i implementaciju istih za odreene radnje. U prvim danima razvoja PLC-a imali su ulogu zamjene oienih releja da bi kasnije svojim razvojem upotpunosti zamjenili takve releje zbog svoje fleksibilnosti. Automatizacija malih HE je vrena uglavnom pomou mikroprocesora iji je broj releja i do dan dans ostao nepromjenjen. Stoga uz pomo PLC-a koritenje oienih releja je smanjen na minimum. Dovoljno veliki PLC moe da ima dosta releja koji mogu pokrivati cjelokupan sistem i uz to prednost je i to su ti releji digitalni pa bilo kakva teta se ne naplauje kao i njihovo odravanje. Ukoliko je potrebno da se mijenja neto u programu male HE onda se to rjeava direktno preko PLC-a bez ikakvih dodatnih radova. Razliite funkcije i kontrole se mogu postii koritenjem PLC-a te osim toga i kontinualno praenje i evidentiranje podataka. Uspjeno se moe ostvariti daljinsko upravljanje male HE preko ovog ureaja. to znai da se sve radnje vezane za odravanje male HE mogu integrisati u jedan PLC kojim e se tako uveliko smanjiti trokovi kao i omoguiti jednostavnost rada i odravanja. Kako su male HE najee smjetene u nepristupanim mjestima potreba za atumatizacijom je poveana. Time se uveliko smanjuju trokovi odravanja kao i prevoza do same male HE. Osim toga poveanje profita se postie i zbog: automatskog prikljuenja male HE na mreu nakon njezinog ispada (npr. napon mree znaajno opao), kontinualnog dovoenja maksimalnog mogueg protoka i praenja svih operacija male HE to kao rezultat daje mogunost djelovanja i prije nego se desi neki znaajniji kvar. Smatra se da zbog svih ovih prednosti upravljki sistem vrijedi uspostaviti, a period vraanja same te investicije je od jedne do dvije godine. Danas se moe izvesti upravljanje male HE preko sopstvenog mobitela te praenje isporuke aktivne i reaktivne snage u mreu kao i ostalih bitnih parametara.

7 INVESTICIONI TROKOVI

Cijena izgradnje male HE zavise od: tipa male HE (protona, akumulaciona itd), instalisane snage i broju generatora, iskoristivog pada,

kapacitet akumulacije, teren (konfiguracija terena, duina i visina nasipa, cijena koritenog zemljta itd).

Priblini trokovi u funkciji snage projektovane male HE sa padom od 10 m su prikazani na slici 6.1. [7]

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 21

Slika 6.1. Investicioni trokovi male HE za pad od 10 m

Generalno manja radna kola zahtjevaju manje materijala i vee brzine obrtanja i konano niu cijenu. Zbog toga su akcijske turbine obino jeftinije od reakcijskih, kod kojih su radna kola vea. Dalja analiza ukupne cijene male HE se moe izvriti procjenom cijena ostale opreme. Ukupna cijena direktno zavisi od snage kao i pada male HE, pa vai sljedei empirijski izraz [3]:

0,3 0,153500(4500)P H

[$/kW] (6.1.)

Kako se akcijske turbine koriste kod veih padova izraz 6.1. upravo potvruje da e ukupna cijena male HE biti manja, odnosno to se pad HE smanjuje to se i cijena poveava. Na slici 6.2. je dat dijagram trokova u zavisnosti od pada za razliite vrijednosti snaga. Problemi vezani za projektovanje i putanje u rad male HE lee u ekonomskim i zakonodavnim izvorima. U BiH glavni problem prije svega predstavlja nezainteresovanost organa vlasti za ulaganja u obnovljive izvore energije. Poetni investicijski trokovi ulaganja po kW su veliki, ali trokovi odravanja male HE su niski, budui da nema potrebe plaati gorivo. Ako se uzme u obzir 5000 sati punog optereenja u toku godine, investicijski trokovi 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 troak manji i iznosi izmeu 0,55 do 0,75 po kWh ili izmeu 5,5 i 7,5 miliona [4].

Slika 6.2. Investicioni trokovi u funkciji pada za razliite vrijednosti snaga

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 22

Ono to investitor treba da uradi prema zakonu jedne drave jeste [10]: pribavljanje informacija o lokacija, pribavljanje energetske dozvole, pribavljanje lokacijske dozvole, pribavljanje graevinske dozvole i pribavljanje vodne dozvole i upotrebne dozvole.

Nakon predanih svih zahtjevajuih dozvola od strane drave se oekuju sljedei ugovori i to predstavlja posljednji korak prije samog uputanja male HE u pogon, a to su [10]:

ugovor o povjeravanju, licenca,

odobrenje za prikljuenje, status povlaenog proizvoaa,

ugovor o otkupu elektrine energije. Ukoliko se uzme u obzir hidropotencijal BiH smatra se da posjeduje oko 21 000 GWh, a od toga je iskoriteno svega 6 000 GWh , odnosno oko 28,5 %. Iz ovog rezultata se vidi da BiH ima jo dosta uloiti u ovom sektoru energetike jer zapadne zemlje imaju iskoritenje svojih mogunosti i do 90 % [8]. Kao zakljuak se moe izvesti tabela 6.1. koja u grubu predstavlja postotak poetnih investicija [7].

Tabela 6.1. Investicioni trokovi osnovnih dijelova male HE

Elementi investicije Procenat uea u ukupnoj cijeni

izgradnje male HE

Hidro-tehniki dio (brana, vodozahvat, dovod vode, odvod vode i sl.) 60 % Turbine 25 %

Mainska zgrada 5 %

Elektrina oprema 10 %

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 23

8 ZAKLJUAK

Cilj ovog rada je bio, u neto kraem obliku, predstaviti osnovne tehnologije koje se koriste pri mjerenjima hidropotencijala i osnovne dijelove koje ine jednu malu HE. Za mjerenje hidropotencijala su nabrojane osnovne metode kao i osnovni ureaji za mjerenje pada, popraeni slikom meu kojima su: altimetar, klinometar, nivelir, te neto noviji: teodolit i totalna stanica. Izvrena je i podjela malih HE prema razliitim faktorima: prema smjetaju, 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 zakljuak se moe izvesti da se za male padove do 70 m koriste reakcijske turbine, dok se za najvie padove koriste Peltonove impulsne turbine. Pri izboru asinhronog generatora kao najbolje rjeenje se pokazao etveropolni 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 rjeenje. Kako se tei automatizaciji malih HE kao najbolje rjeenje zbog cijene, ali i jako dobre efikasnosti je predstavljen PLC koji moe uspjeno da odgovori na potrebe kontrole i upravljanja jedne male HE. Nakon toga dati su osnovni investicioni trokovi jedne male HE zajedno sa zakonodavnim potrebama investitora.

Male HE su zasigurno tehniki najpoznatiji i najrazvijeniji obnovljivi izvori sa jako visokim stepenom iskoritenja. To nam pokazuje i podatak da 97 % svjetske proizvodnje elektrine energije iz obnovljivih izvora dolazi upravo od malih HE [8]. Osim toga one predstavljaju apsolutno najie oblike izvora elektrine energije, gdje su iza sebe ostavile vjetroelektrane i solarne elektrane, prema istraivanjima Paul Scherrer Institut-a i Univerziteta u Stuttgartu [8]. Kako BiH ima jako velik potencijal gradnje ovog oblika obnovljivog izvora zasigurno da u budunosti treba mnogo vie uloiti truda i znanja da se takvi projekti i implementiraju.

Male hidroelektrane

abanovi Ernad 24

9 LITERATURA

[1] Vladica Mijailovi, Distribuirani izvori energije, Akademska misao, 2011. [2] Damir Rajkovi, Skripta iz kolegija: Proizvodnja i pretvorba energije, Rudarsko-geoloko-naftni fakultet, 2011.

[3] Andrija T. Sari i Miroljub Jevti, Izbor turbine i generatora za mikro hidroelektrane, Struni rad Elektroprivrede Srbija, 2005. [4] Guide on How to Develope a Small Hydropower Plant, ESHA, 2004. [5] Male hidroelektrane, Energetski institut Hrvoje Poar, 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 amani, Odabir glavnih parametara HE postrojenja, Tehniki fakultet Rijeka, zavrni rad, 2011.

[9] Miralem Hadiselimovi, Matej Mlakar, Bojan tumberger, 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 Kovaevi, Biljana Trajkovi, Bojan Lazarevi, IZGRADNJA MALIH HIDROELEKTRANA I PROIZVODNJA ELEKTRINE ENERGIJE U REPUBLICI SRBIJI -VODI ZA INVESTITORE, USAID , gtz i Vlada Republike Srbije, 2013. [11] Witold MAZGAJ, Zbigniew SZULAR, Tomasz WGIEL, 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, Neka iskustva u projektovanju i radu malih hidroelektrana, prezentacije, jun 2011.