Μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή μικρού υδροηλεκτρικού συστήματος με υδρογεννήτρια 350W για αγροτικές εφαρμογές χαμηλού κόστους

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή ενός πολύ μικρού υδροηλεκτρικού συστήματος 350W με σύγχρονη γεννήτρια αξονικής ροής μονίμων μαγνητών χωρίς πυρήνα για αγροτικές εφαρμογές χαμηλού κόστους και σύνδεση σε μικροδίκτυο. Γίνεται μία εισαγωγή στην έννοια της ενδιάμεσης τεχνολογίας και στα υδροηλεκτρικά συστήματα παραγωγής ενέργειας. Παρουσιάζονται οι κατηγορίες στις οποίες αυτά διακρίνονται, η βασική δομή των micro-υδροηλεκτρικών συστημάτων, τα χαρακτηριστικά τους και τα βασικά στάδια του τεχνοοικονομικού σχεδιασμό τους. Μελετώνται χωριστά τα επιμέρους τμήματα ενός micro-υδροηλεκτρικού συστήματος, ο σχεδιασμός και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους. Παρουσιάζονται τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα είδη υδροστροβίλων, τα χαρακτηριστικά τους, ο τρόπος διαστασιολόγησης και ελέγχου τους, καθώς και τα διάφορα συστήματα μετάδοσης της κίνησης από τον στρόβιλο στη γεννήτρια. Γίνεται αναφορά στις γεννήτριες που χρησιμοποιούνται συχνότερα στα υδροηλεκτρικά συστήματα, τα βασικά δομικά και λειτουργικά τους χαρακτηριστικά και τους πιο απλούς τρόπους ελέγχου τους. Ακόμα, γίνεται μία συνοπτική αναφορά στον διακοπτικό εξοπλισμό και τον εξοπλισμό προστασίας ενός micro-υδροηλεκτρικού σταθμού. Διακρίνονται τρεις κατηγορίες σύνδεσης ενός micro-υδροηλεκτρικού συστήματος σε αυτόνομο ή διασυνδεδεμένο δίκτυο, με ac ή dc σύστημα και παρουσιάζονται οι διάφοροι τρόποι υλοποίησής τους ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη γεννήτρια. Γίνεται μία προσπάθεια μετά από βιβλιογραφική έρευνα για τον καθορισμό κριτηρίων με βάση τα οποία να μπορεί να γίνει η επιλογή του καταλληλότερου εξοπλισμού, δηλ., σωλήνων, υδροστροβίλου, γεννήτριας, αλλά και τρόπου σύνδεσης ανάλογα με τις συνθήκες στον τόπο εγκατάστασης του micro-υδροηλεκτρικού συστήματος και τις απαιτήσεις των χρηστών. Το pico-υδροηλεκτρικό σύστημα της παρούσας εργασίας σχεδιάζεται με στόχο τη λειτουργία του στα πλαίσια ενός μικροδικτύου. Έτσι, γίνεται μία μελέτη για τη δυνατότητα τροφοδότησης μίας μικρής κλινικής σε κάποια αναπτυσσόμενη χώρα από ένα αυτόνομο μικροδίκτυο που θα περιλαμβάνει το υδροηλεκτρικό, φωτοβολταϊκά, μπαταρίες και κάποιο ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Ο υδροστρόβιλος και η γεννήτρια σχεδιάζονται, η γεννήτρια κατασκευάζεται και αφού γίνει η συναρμολόγηση του συστήματος διεξάγονται δοκιμές για να αξιολογηθεί η λειτουργία της γεννήτριας μόνη της αλλά και στα πλαίσια του υδροηλεκτρικού συστήματος, να διαπιστωθούν τυχόν παραλείψεις και να διατυπωθούν συμπεράσματα και βελτιωτικές προτάσεις.

Subject of the present work is the study, design and construction of a pico-hydroelectric system of 350W that has an axial flux core less generator with permanent magnets for grid connected applications. An introduction is made on the principles of appropriate technology and the hydro-electric systems, while there are also presented the characteristics of pico-hydroelectric systems, their structure and the process of their techno-economic design. Each part of the micro-hydro scheme (like the intake, the channel, the forabay tank, the penstock or the powerhouse) is studied, as well as its design and special characteristics. The different kind of hydro -turbines are presented along with their characteristics, design, sizing process and way of control. Description of different drive systems is included. Most frequently used generators (induction machines, synchronous generators with permanent magnets or wound field) along with their main topologies, basic equations and the simplest ways of their control are mentioned. There is also a brief description of the required switchgear and protection equipment. The different ways of connecting the pico-hydro-generator are divided into three categories (connection to an ac bus of the utility grid or of an autonomous microgrid and connection to a dc bus of an autonomous system with batteries) and studied. The ways of establishing these connections are presented depended on the kind of the used generator. After some bibliographic survey, the author tries to establish some criteria, which may later lead to a simple method of choosing the appropriate equipment (like penstock, hydro-turbine, generator ) and kind of connection for a special micro hydro-scheme. A case study of electrifying a rural health clinic is presented. The clinic is supposed to be at a rural region of the developing world and its electricity needs are satisfied by a microgrid, which includes the pico-hydroelectric system of 350W, a photovoltaic generator, batteries and a genset. The penstock, hydro- turbine and permanent magnet generator are designed, the generator is constructed and tested in the laboratory. Also, after the assembly of the generator with the hydro-turbine, the hydroelectric system is tested and measured in the laboratory in order to estimate its efficient function or the problems that might occur. Finally, conclusion are drawn and proposals for improvement and further work are presented.