Miroslav Sedláček, Jana Frková Externality a jejich řešení na mikroúrovni (Experimentální poloprovoz bezlopatkové mikroturbíny) České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební 2009
Poděkování Autoři testované mikroturbíny a řešitelé výzkumného záměru VZ 05 děkují společnosti Vodárny a kanalizace Karlovy Vary, a.s. za možnost spuštění poloprovozu v jejich zařízení. Jmenovitě děkujeme panu řediteli Ing. Antonínu Jáglovi za jeho pochopení a vstřícnost, vedoucímu provozu úpraven vody Jih panu Vlastimilu Jamborovi a v neposlední řadě panu Zachatému, který se osobně podílel na celém průběhu poloprovozu, zajišťoval odečítání údajů a pravidelně o mikroturbínu pečoval. Ke zdárnému průběhu poloprovozu přispěli ještě další nejmenovaní zaměstnanci VaK Karlovy Vary, kterým rovněž patří naše poděkování. Tato publikace vznikla v rámci výzkumného záměru Management udržitelného rozvoje životního cyklu staveb, stavebních podniků a území (MSM: 6840770006), financovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy, na Českém vysokém učení technickém v Praze, Fakultě stavební. Publikace nebyla jazykově upravena Sedláček, M., Frková, J., 2009 ISBN 978-80-01-04328-8 2
Úvodní informace Co je bezlopatková míkroturbína Bezlopatková mikroturbína je vodní motor, který využívá nový hydrodynamický princip. Jeho podstata spočívá v odvalování rotoru (tělesa osově symetrického tvaru) ve výtokovém konfuzoru (dýze). Řešení s názvem Odvalovací tekutinový stroj (OTS) je chráněno evropskými patenty EP 1 015 760 B1, EP 1 082 538 B1, americkými patenty US 6,139,267, US 6,702,038, patentem CZ 294708, UV CZ 17908 a UV CZ 18890 a mnoha dalšími. Má velmi jednoduchou konstrukci a dosahuje účinnost okolo 40 70 % v závislosti na konkrétních parametrech instalace. Zařízení je vhodné pro velmi malé vodní zdroje a ostrovní provoz, kdy vyrobená energie je akumulována a spotřebována v místě výroby. Může také pracovat s průtokem stovek litrů vody za sekundu při spádu okolo jednoho metru. Cíl poloprovozu Cílem experimentálního poloprovozu byl zkušební a ověřovací provoz, který sloužil pro ověření vlastností, činnosti, poruchovosti a dalších sledovaných parametrů zdokonalené bezlopatkové (odvalovací) mikrotubíny. Konkrétním specifickým cílem bylo ověřit aplikovatelnost technického zařízení pro potřeby rekuperace energie vkládané do systému zásobování vodou a jejího zpětného využití, například pro nouzové osvětlení, telemetrické účely, bezpečnostní potřeby, dávkování nezbytných aditiv, signalizaci, případně další funkce. Předmět poloprovozu Předmětem poloprovozu byla zdokonalená odvalovací mikroturbína, která je výsledkem řešení Výzkumného záměru MSM6840770006, na kterou byla dne 19. 6. 2008 podaná patentová přihláška číslo 2008-382. 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 do- 3
kumentaci, která byla zpracována výrobcem prototypu firmou Mechanika Králův Dvůr s.r.o. (viz obr. 1 4). Na tuto zdokonalenou mikroturbínu byl dne 15. 9. 2008 vydán Úřadem průmyslového vlastnictví ČR Užitný vzor (UV) s číslem zápisu 18890. Základní podoba mikroturbíny, která je v současné době vyráběna pro spády do 20 metrů a průtoky do 20 litrů vody za sekundu, používá pro přenos mechanického výkonu z precesně se pohybující hřídele různé kardany. Nové řešení, které se stalo předmětem výše uvedené patentové přihlášky a uděleného užitného vzoru spočívá v tom, že hřídel turbíny je uložena v kulovém kloubu a krouticí moment je přenášen na generátor zvlášť uzpůsobenou pružnou hřídelí. Tato pružná hřídel může být z různých materiálů. V praxi se nejlépe osvědčily uhlíkové kompozity nebo ocelová lana. 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 pohybuje (v závislosti na konkrétních hodnotách spádu a průtoku) v rozmezí cca 0,6-3 kwh za jeden den. Umístění poloprovozu Vodárny a kanalizace Karlovy Vary, a.s. Provozní středisko Žlutice. Vztahy mezi provozovatelem poloprovozu, společností Vodárny a kanalizace Karlovy Vary, a.s. a objednatelem, Fakultou stavební ČVUT v Praze, byly upraveny v Dohodě o spolupráci podepsané ředitelem VaK Karlovy Vary, a.s. a děkanem Fakulty stavební ČVUT v Praze dne 23.10.2008 viz příloha 1. Doba trvání poloprovozu Dne 14.11.2008 byl experimentální poloprovoz mikroturbíny zahájen a měření bylo ukončeno 23.6.2009. Celková doba trvání experimentálního poloprovozu byla více než 7 měsíců. Sledované parametry V rámci poloprovozu byly 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), 4
vizuální hodnocení stroje (hlučnost, stabilita: normální vibrace/zesílené vibrace), V případě poruchy byl vypracován slovní popis události, resp. následků, které se projevily. V průběhu poloprovozu byly sledované parametry zaznamenávány v elektronické podobě do tabulky naměřených hodnot, která je uvedena níže pod názvem Záznamy o fungování mikroturbíny. Všechny údaje byly vkládány chronologicky podle data jejich odečítání, včetně vzniku určité události. Výsledný soubor sledovaných parametrů byl následně vyhodnocen a obsahuje návrh doporučení k úpravám a alternativním aplikacím mikroturbíny, aby mohla v budoucnu bezporuchově (a v zásadě bez údržby) fungovat v běžném provozu vodáren. Blíže viz příloha č. 2: Vyhodnocení sledovaných parametrů a doporučení k úpravám mikroturbíny. V rámci poloprovozu byla testována ještě další mikroturbína, která byla vyrobená dle stejného UV 18890. Byla instalována jako kontrolní vzorek, který monitoroval změny vstupních parametrů (především spádu). U této turbínky byly měřeny a zaznamenávány pouze otáčky a k její žádné poruše během sledovaného období nedošlo. Změny otáček byly zároveň výsledkem zvětšování průměru rotoru v důsledku nasákavosti polyamidového rotoru vodou. Z provozovny ve Žluticích byla vytvořena široká databáze fotodokumentace, zaznamenávající chod turbínky i její opravu a míru opotřebení jednotlivých součástí stroje. Obr. 1 Mikroturbína připravena k instalaci 5
Obr. 2 Sestava mikroturbíny podle UV 18890 6
Obr. 3 Závěsný držák. Obr. 4 Dýza (stator). Obr. 5 Hlava kulového kloubu. 7
Vybraná zahraniční a domácí ocenění odvalovací mikroturbíny Odvalovací tekutinová turbína byla v roce 2008 představena na 6. mezinárodní výstavě vynálezů v Číně v Suzhou, kde získala třetí místo, tzv. copper medaili v kategorii ochrana a rozvoj životního prostředí. V tomtéž roce byla vystavována na Jubilejním 60. mezinárodním veletrhu IENA 2008, Německo, Norimberk 30. 10. 2. 11., kde získala bronzovou medaili. Mikroturbína byla také představena na Česko-Japonských dnech na MZ ČR v květnu 2008 a byla vystavována na mezinárodní výstavě Hannover Messe v roce 2008 i v roce 2009. Odezvy z výstav byly velice pozitivní. 8
V květnu 2009 reprezentovala inovace ČR v rámci českého předsednictví EU2009.CZ na mezinárodní konferenci v Bruselu o udržitelném rozvoji. V soutěži o Cenu platformy podnikatelů pro zahraniční rozvojovou spolupráci získala v květnu 2009 druhou cenu v kategorii Technologie pro vodní energii. 9
Záznamy o fungování mikroturbíny v poloprovozu Zpráva o průběhu poloprovozu, zahájeného u VaK Karlovy Vary v provozovně ve Žluticích dne 14.11.2008. Vztahy mezi provozovatelem VaK Karlovy Vary, a.s. a objednatelem ČVUT v Praze, Fakulta stavební jsou upraveny v Dohodě o spolupráci, podepsané ředitelem VaK Karlovy Vary a děkanem stavební fakulty ČVUT ze dne 23.10.2008. Datum Chod stroje ano/ne Otáčky hřídele El. výstup z generátoru ano/ne Vibrace: normální/zesílené Popis případné poruchy Kontrol. turbína - otáčky 14.11.2008 ano 210-220 ano normální 185 18.11.2008 ano 200-210 ano ok 30 19.11.2008 ano 270-280 ano ok 34 20.11.2008 ano 230 ano ok 27 21.11.2008 ano 80-90 ano ok málo vody 24 22.11.2008 23.11.2008 24.11.2008 ano 90-100 ano ok 21 25.11.2008 ne 19 26.11.2008 ano 90-100 ano ok 22 27.11.2008 ano 80-90 ano ok málo vody 21 28.11.2008 ano 150 ano ok 35 29.11.2008 30.11.2008 1.12.2008 ano 180 ano ok 46 2.12.2008 ano 90-100 ano ok 21 3.12.2008 ano 100 ano ok 23 4.12.2008 ne 5.12.2008 ano 90-100 ano ok 22 6.12.2008 7.12.2008 8.12.2008 ano 80 ano ok 22 9.12.2008 ano 70-80 ano ok 24 10.12.2008 ano 70-80 ano ok 23 11.12.2008 ano 140 ano ok 30 12.12.2008 ano 140 ano ok 31 13.12.2008 14.12.2008 15.12.2008 ano 140-150 ano ok 34 16.12.2008 ano 140-150 ano ok Zvýšení ot kontr turb pootočením hlavy turb 62 17.12.2008 18.12.2008 ano 120 ano ok 64 19.12.2008 ano 110 ano ok 62 20.12.2008 21.12.2008 ano 140 ano ok 64 22.12.2008 23.12.2008 ano 120 ano ok 60 24.12.2008 25.12.2008 26.12.2008 27.12.2008 28.12.2008 ano 100 ano ok 58 29.12.2008 30.12.2008 ano 120 ano ok 60 31.12.2008 1.1.2009 2.1.2009 ne 0 Přetržení lanka přenosu kroutícího momentu 62 3.1.2009 ano 120 ano ok Oprava lanka pracovníky Úpravny vody 60 4.1.2009 5.1.2009 6.1.2009 7.1.2009 ano 130 ano ok 64 8.1.2009 9.1.2009 ano 140-150 ano ok 64 10.1.2009 11.1.2009 12.1.2009 ano 120 ano ok 62 13.1.2009 14.1.2009 ne turbínka se zastavila - zapsala Frková (email p. Zachatý) 15.1.2009 16.1.2009 17.1.2009 18.1.2009 19.1.2009 10
11
Fotodokumentace z místa instalace Obr. 6 Úprava nádrže pracovníkem VaK KV pro umístění mikroturbín 12 Obr. 7 Upevnění testovací mikroturbíny v nádrži.
Obr. 8 Instalace elektrické zátěže. Obr. 9 Kontrolní mikroturbína. 13
Obr. 10 Celkový pohled na nádrž s mikroturbínami. Obr. 11 Zahájení poloprovozu. 14
Obr. 12 Měření otáček na hřídeli elektrogenerátoru. Obr. 13 Kontrolní mikroturbína v činnosti. 15
Obr. 14 Plný režim poloprovozu. Obr. 15 Intenzivní zátěž elektrogenerátoru. 16
Příloha 1 Experimentální poloprovoz bezlopatkové mikroturbíny 17
18 Experimentální poloprovoz bezlopatkové mikroturbíny
Příloha 2 Vyhodnocení sledovaných parametrů a doporučení k úpravám mikroturbíny V návaznosti na cíl a předmět poloprovozu a v souladu s požadavky uvedenými v Metodice hodnocení výzkumu a vývoje a jejich výsledků v r. 2008 (Úřad vlády ČR č.j. 10810/2008-RVV), je na závěr nezbytné zdůraznit, že vazba popsaného poloprovozu na výzkumný projekt se ukázala velmi silná. Fungování mikroturbíny a ověřování jejích parametrů naplňovalo praktické potřeby a souvislosti řešení dílčího úkolu Výzkumného záměru VZ 05 (Externality a jejich řešení na mikroúrovni). Stěžejním obsahem všech praktických postupů byla analýza možností posilování udržitelného rozvoje v regionech prostřednictvím využívání obnovitelných mikrozdrojů vody. V rámci podrobných mikroekonomických analýz udržitelného rozvoje na úrovni regionu se ukázaly velmi důležité souvislosti mezi přesně definovaným užitkem a možnostmi jeho naplňování. Tyto možnosti se projevily zvláště při chápání obsahu mikroregionu jako součtu určitého množství místních podmínek, které mohou být využity pro udržitelný rozvoj. Konkrétní forma jedné z těchto místních podmínek pak může mít podobu efektivního využívání mimořádně malého obnovitelného zdroje vody. Uvedené analýzy a metodika přístupu vedly k přesnému stanovení užitku na mikroúrovni v oblasti získávání marginálního množství elektrické energie pro udržitelný rozvoj. Opakovaný rozbor výsledků, které byly podle tohoto modelu dosahovány v praxi, vedl k tomu, že úsilí o zlepšení mikroekonomického výstupu vyústilo do zdokonalení nástroje, který mikromnožství elektrické energie zabezpečoval. Byla zpracována výrobní dokumentace pro zdokonalený typ mikroturbíny, který reflektuje výsledky fungování poloprovozu. Plastový korpus mikroturbíny by podle získaných poznatků měl být opatřen z obou stran límcem, který bude sloužit jak pro uchycení (instalaci, osazení) stroje, tak pro montáž elektrogenerátoru. První podoba korpusu je na obrázku č. 16 a 17 na závěr této části textu. K určujícím výsledkům ověřování nového způsobu výroby elektrické energie poloprovozem odvalovací mikroturbíny instalované v úpravně vody patří především následující: 19
- bylo prokázáno, že marginální množství elektrické energie (0,6 3 kwh) může být vyráběno z potenciální energie, která je k dispozici v určitém místě zvoleného vodárenského provozu, - bylo potvrzeno, že odvalovací mikroturbína je vhodným nástrojem pro využití omezeného a nestabilního zdroje potenciální energie vody v objektu úpravny vody, - poloprovoz potvrdil výhodnost provozování elektrogenerátoru odpovídajících parametrů v úpravně vody a celkovou efektivnost takové instalace, - technické řešení mikroturbíny podle podané patentové přihlášky č. 2008-382 a uděleného užitného vzoru číslo 18890 se ukázalo jako dostatečně stabilní. Za celou dobu poloprovozu, tj. od 14. 11. 2008 do 30. 6. 2009 došlo pouze k jedné mechanické poruše přetržení ocelového lana, které plnilo funkci flexibilní hřídele tlumící precesní pohyb (vibrace) a přenášející kroutící moment z hřídele rotoru na generátor elektrické energie. Porucha nastala dne 14. 1. 2009 a oprava byla provedena 29. 1. 2009. Při této příležitosti bylo zjištěno, že hlava kulového kloubu, která byla uložena mezi dvěma bronzovými deskami, jež tvořily pouzdro, byla opotřebena a zasažena korozí (použitý materiál nebyl vhodný pro vodní prostředí a intenzivní namáhání, kterému byla hlava kloubu vystavena). Měla by proto být pro praxi vyráběna z kvalitního materiálu, aby nepodléhala korozi a mechanickému opotřebení. Z uvedených důvodů byla původní hlava kulového kloubu nahrazena polyamidovou koulí, - v návaznosti na výše uvedené skutečnosti je možné za významný poznatek poloprovozu považovat to, že kulový kloub, který je namáhán precesním pohybem hřídele a zároveň otáčením podél osy generátoru, má-li hlavu z polyamidu a pouzdro z bronzu, přičemž je neustále ponořen ve vodě, nepodléhá opotřebení ani nevyvolává ztráty při přenosu kroutícího momentu. Až do konce testovaného období se nová hlava kulového kloubu otáčela hladce a stroj nevykazoval žádné zpomalení ani jiné ztráty na vyráběném výkonu. Naopak, s rostoucí potenciální energií mikroturbína poskytovala stále větší výkon, což se projevovalo na vyráběné elektrické energii, - možnosti efektivního využití vyráběné elektrické energie jsou závislé na konkrétních podmínkách instalace mikroturbíny. Jako výhodné se ukázalo přímo osvětlení místnosti s přivaděčem vody do úpravny, - další možnost pro využití vyrobené elektřiny spočívá v instalaci akumulátorů, do kterých bude elektřina ukládána a následně spotřebovávána v cíleně stanoveném režimu, - jiná možnost je využívat vyráběnou elektřinu o napětí 12 nebo 24 voltů přímo k bezpečnostnímu osvětlení vybraných prostor objektu úpravny, - další aplikace se ukazuje na úseku elektrického zabezpečení pro monitorování různých stavů vody, dávkování aditiv, atd., 20
- z hlediska zlepšení konstrukce původního typu mikroturbíny je možné uvažovat o stabilnějším uložení stroje pomocí větší základové desky, což umožní určitou mobilnost zařízení a jednoduchou instalaci, - rovněž připojení generátorové klece včetně držáku kulového kloubu bude výhodnější, když horní deska turbíny bude dostatečně masivní a velká, jak je znázorněno na následujících fotografiích, - pro konstrukci rotoru a statoru se poloprovozem neukázaly žádné poznatky, které by vyžadovaly popis nebo vysvětlení. Při kontrole jednotlivých částí mikroturbíny v rámci odstraňování poruchy ocelového lana a také po skončení poloprovozu, kdy byla mikroturbína znovu rozebrána, se ukázalo, že nejen polyamidová hlava kulového kloubu, ale také tubus mikroturbíny, závěsný držák, spojka mezi hřídelí generátoru a turbíny i ozubení statoru a ozubení rotoru jsou ve výborném stavu, - za přínos oproti dosavadní běžné praxi je možné považovat především to, že byl potvrzen konkrétní způsob nové formy úspor energie, který je založený na využívání mimořádně malých potenciálních energií vody, jež se vyskytují ve vodárenských provozech. Do dnešní doby nebyly využívány, avšak s jejich exploatací je potřeba do dalších let z objektivních důvodů počítat, - odvalovací mikroturbína podle poloprovozu může být v praxi dlouhodobě používána bez zvláštních nároků na údržbu. Obr. 16 Celkový pohled na plastový korpus mikroturbíny. 21
Obr. 17 Detailní pohled na horní část korpusu pro upevnění generátoru. Závěr Experimentální poloprovoz ověřoval v praxi funkci elektrické zátěže bezlopatkové mikroturbíny vyrobené podle UV 18890, stabilnost jejího chodu při měnících se podmínkách spádu, opotřebení jednotlivých součástí další parametry. Potvrdil, že mikroturbína dokáže využít velmi omezený a nestabilní vodní zdroj nalézající se v úpravně vod vodárenského zařízení a vyrobit až 2 kwh elektrické energie za 24 hod pro tzv. ostrovní využití. Z hlediska technického řešení přinesl poloprovoz nové poznatky o materiálovém řešení mikroturbíny. Ukázalo se, že mikroturbína je efektivním prostředkem pro rekurepraci 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 v provozovnách čistíren odpadních vod. 22
ot/min. Experimentální poloprovoz bezlopatkové mikroturbíny Otáčky hřídele 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 14.11.2008 21.11.2008 sucho - nedostatek vody 28.11.2008 5.12.2008 12.12.2008 19.12.2008 26.12.2008 2.1.2009 materiálová výměna kloubu 9.1.2009 16.1.2009 23.1.2009 30.1.2009 6.2.2009 13.2.2009 20.2.2009 27.2.2009 6.3.2009 13.3.2009 Datum měření Graf 1 Výsledky měření (132 odečtů) znázorněné graficky. 11/2008 2/2009 období sucha, málo vody v systému 2.1.2009 přetržení lanka přenosu kroutícího momentu 14.1.2009 28.1.2009 materiálová výměna kulového kloubu Od 9.3.2009 dešťové srážky, plný provoz po materiálové úpravě průměrně 338 ot/min. 20.3.2009 27.3.2009 3.4.2009 10.4.2009 17.4.2009 24.4.2009 1.5.2009 8.5.2009 15.5.2009 22.5.2009 29.5.2009 5.6.2009 12.6.2009 19.6.2009
Literatura: 2009 1. Sedláček, M., Frková, J. Mikroturbína a její využití pro výrobu marginálního množství elektrické energie. Stavební a investorské noviny. Ročník XVI. 9/2009 2. Beran, V. - Dlask, P. - Sedláček, M. Ekonomika mikrozdrojů elektrické energie In: People, buildings and environment 2009 conference proceedings. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2009, díl 1, s. 165-170. ISBN 978-80-7204-660-7. 3. Sedláček, M. Rozvoj regionů a obnovitelné mikrozdroje In: Regionální rozvoj. Brno: Tribun EU, 2009, díl 1, s. 181-184. ISBN 978-80-7399-772-4. 4. Sedláček, M. - Brada, K. Tekutinové odvalovací čerpadlo Užitný vzor Úřad průmyslového vlastnictví, 20067. 2009-09-21. 2 5. Sedláček, M. - Frková, J. Externality a jejich řešení na mikroúrovni 1. vyd. Praha: ČVUT, Fakulta stavební, 2009. 25 s. ISBN 978-80-01-04328-8.
6. Sedláček, M. - Karásek, J. Ekonomické posouzení mikroturbíny Setur In: People, buildings and environment 2009 conference proceedings. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2009, díl 1, s. 290-293. ISBN 978-80-7204-660-7. 2008 1. Sedláček, M. Odvalovací tekutinová turbína Patentová přihláška Úřad průmyslového vlastnictví. 2. Sedláček, M. Odvalovací tekutinová turbína CZ 18890U1 Užitný vzor Úřad průmyslového vlastnictví, 18890. 2008-09-15. 3. Sedláček, M.S. - Brada, K.B. Tekutinové odvalovací čerpadlo Patentová přihláška Úřad průmyslového vlastnictví. 4. Sedláček, M.S. - Novák, J. - Beran, V.B. Fluid Turbine Patent Application European Patent Office. 2007 3
1. Sedláček, M. - Beran, V. - Novák, J. Tekutinová turbína Patentová přihláška Úřad průmyslového vlastnictví, 2007-08-03. 2. Sedláček, M. - Beran, V. - Novák, J. Tekutinová turbína Přihláška průmyslového vzoru Úřad průmyslového vlastnictví, 2007-08-03. 3. Sedláček, M. - Beran, V. - Novák, J. Tekutinová turbína CZ17908 Užitný vzor Úřad průmyslového vlastnictví, 17908. 2007-10-01. 4