Kjaranstadir Vandkraftværk E-AFP 1, forår 2007

Transkript

1 Indholdsfortegnelse 1. Indledning Problemformulering Kravspecifikation Blokdiagram Afgrænsning Analyse af installationen Indledning Opvarmning af huset Valg af ovne Opvarmning af vand Almindelig el-installation Beregninger Delkonklusion Målinger Indledning Vand hastigheden Mulige målemetoder Valg af metode Resultater Fald højden Mulige metoder Val af metode Resultat Delkonklusion Energi beregninger af åen Indledning Brugbar effekt Delkonklusion Dimensionering af vandkraftværket Bygninger, dæm og røret Indledning Dæmmet Turbine huset Dimensionering af røret Delkonklusion Turbinen Indledning Muligheder Valg af turbine Reaktion turbiner Delkonklusion Generator Indledning Opbygning Valg af type Beregninger Power faktor Delkonklusion Transformer Syddansk Universitet Side 1 af 30

2 9. Kabler Indledning Valg af kabler Beregninger Beskyttelse Styring af systemet Økonomien Kildeliste Bøger Hjemmesider Syddansk Universitet Side 2 af 30

3 1. Indledning I dette projekt skal den bedste økonomiske mulighed for at få elektricitet til en gammel bondegård, som er under ombygning til et sommerhus og mangler elektricitet, findes. Mulighederne er mange, hvor der vil være set på hvad det koster at få elektricitet i sommerhuset fra Orkubú Vestfjarða herefter kaldt OV, som er distribution firma i Island, undersøge hvad det koster at få linje ind i huset og prisen pr. kilowatt time. Også vil der blive set på muligheden for at designe et lille vandkraftværk. Grunden til ideen at designe et vandkraftværk kommer til fordi at der i forvejen er et gammelt vandkraftværk til steder som behøver ombygning. Og ved at bygge et vandkraftværk kommer mulighed for at kunne sælge elektriciteten som bliver i overskud til OV. 1.1 Problemformulering Figur 1-1- Fysiske blokdiagrammet Opbygningen af projektet kan ses i blokdiagram på Figur 1-1. I afsnit kommer så forklaringer på hver blok for sig, hvad de indeholder, hvad skal komme ud af dem og hvordan blokkerne forbindes. Syddansk Universitet Side 3 af 30

4 1.1.1 Kravspecifikation Pre-design af el-installation i huset, for at se hvor meget energi der skal til at forsyne huset Undersøge hvor meget energi åen kan fremstille, det vil sige at undersøge hastigheden på vandet og faldhøjden Designe vandkraftværket, valg af komponenter og tilbehør Undersøge mulighederne for tilslutning til OV med mulighed for at sælge Blokdiagram Blok 1, Analyse el-installation af bondegården Formål: Til at få nogenlunde at ved hvor meget vandkraftværket skal minimum lavere i effekt er der nødvendigt at estimere forbruget for bondegården. Hvordan: Lige som titlen for blokken siger, bliver der ikke designeret installationen for bondegården. Der vil kun blive brugt nogle tommelfingerregler til at finde ud hvor meget elektricitet per kvadratmetre for varme behøves. Lys og anden almindelig installation vil være antaget og regnet med samtidighedsfaktor. Kobling mellem bloker: Blokken kobles til blok nummer 3, der hvor beregningerne viser om åen kan yde nok effekt til bondegården. Blok 2, Målinger Formål: Til at finde ud hvor meget effekt der er muligt at få ud af åen er det nødvendigt at måle vandhastigheden og faldhøjden. Hvordan: Til at måle højde forskellen mellem dæmmet og hvor vandet kommer ud af turbine huset, bliver et GPS måle udstyr brugt. Men til at finde ude vandhastigheden bliver en gammel metode brugt som er hurtig men ikke så nøjagtig. Kobling mellem bloker: Blokken er tilsluttet til blok nummer 3 hvor de målte data bliver så brugt til at beregne energien i åen. Blok 3, Beregne energien i åen Formål: Til at målingerne fra blok nummer 2 kan bruges, skal der opsættes nogle ligninger til at beregne effekten som åen kan afgive. Hvordan: Nogle formuler skal findes til at indtaste måledataene og nogle faktorer til at finde ud energi indholdet i åen. Kobling mellem bloker: Denne blok tilsluttes til blok nummer 4 hvor resultaterne fra ligningerne blive brugt til at dimensionere komponenterne i vandkraftværket. Blok 4, Dimensionering af vandkraftværket Formål: Dimensioneringen af vandkraftværket indeholder mange under blokker hvor komponenterne bliver valgt. Hvordan: Den blok koncentrerer sig om at holde udenom blokker 5 til 12 hvor kraftværket er dimensioneret. Syddansk Universitet Side 4 af 30

5 Kobling mellem bloker: Blokken er tilsluttet til blok nummer 5 hvor dæmmet og bygningerne vedrørende kraftværket bliver set på. Den er også tilsluttet til blok nummer 6-11 hvor de hilste komponenter i kraftværket bliver dimensioneret. Og til sidst er den tilsluttet til blok nummer 12 hvor der bliver set på styringen af systemet. Blok 5, Bygninger Formål: Den blok har ikke meget indflydelse i rapporten men til at have nogle ideer om hvad skal laves af bygninger og dæmme kommer nogle antagelser. Hvordan: Der vil kun være antaget hvad skal laves i forbindelse med dæmmet og bygningerne. Kobling mellem bloker: Den blok er ikke tilsluttet til nogen anden. Blok 6, Dimensionering af rørene Formål: Dimensionere skal længde og diameter for røren for vandet fra dæmmet til turbine huset uden for meget turbulens. Hvordan: Det skal regnes ud fra formuler. Kobling mellem bloker: Blokken tilsluttes til blok nummer 7 hvor turbinen bliver valgt, ud fra hvor meget vand kommer i gennem rørene. Blok 7, Turbinen Formål: Der skal vælges en turbine som udnytter bedst den faldhøjde og vandhastighed som er ved den å. Hvordan: Der bruges tabeller og der vil også være regnet lidt. Kobling mellem bloker: Den blok kobles til blok nummer 8 hvor generatoren bliver valgt ud fra omdrejningshastigheden af turbinen. Blok 8, Generatoren Formål: Til at generere elektricitet behøves der en generator som vil være tilsluttet til turbinen og i den blok vil generatoren blive valgt og dimensioneret. Hvordan: Dimensioneringen vil fremgå med beregninger. Kobling mellem bloker: Blokken er koblet til blok nummer 9 hvor transformeren er valgt ud fra spændingens niveau fra generatoren. Blokken kobles også til blok nummer 11 hvor beskyttelsen for generatoren bliver valgt. Blok 9, Transformeren Formål: Til at kunne transformere elektricitet fra turbine huset til Landsnet behøves at transformere spændingsniveauet fra generatoren til spændingsniveauet i distribution nettet. Hvordan: Transformeren bliver valgt ud fra tabeller. Kobling mellem bloker: blokken er tilsluttet til blok nummer 10 hvor kabalen til distribution nettet (Landsnet) bliver dimensioneret. Den er også tilsluttet til blok nummer 11 hvor beskyttelsen tor transformeren bliver valgt. Syddansk Universitet Side 5 af 30

6 Blok 10, Tilslutning til hus og net Formål: Forbindelse mellem turbine huset og bondegården forgår via kabel og forbindelse melle turbine huset og Landsnet forgår også via kabel. Disse to kabler skal dimensioneres og vælge om det bliver luftline eller kabel i jorden. Hvordan: De skal regnes ud fra formler. Kobling mellem bloker: Blokken kobles til blok nummer 11 hvor beskyttelsen for kablerne bliver valgt. Blok 11, Protektion Formål: Der skal beskyttelse for alla komponenter og kabler, i denne blok vil disse beskyttelse blive valgt. Hvordan: De skal vælges ud fra størrelse af komponenten og nogle beregninger. Kobling mellem bloker: Den blok kobles ikke til nogen anden. Blok 12, Styringen af systemet Formål: Hele systemet skal styres og overvåges, i denne blok vil være set på nogle muligheder for styringer og overvågning. Også vil det være set på hvad det er som skal overvåges og styres. Hvordan: Der vil være undersøgelser og analyser af de forskellige styrings systemer. Kobling mellem bloker: Blokken tilsluttes ikke til nogen anden. Blok 13, Økonomien Formål: Projektet går ud på at se om det er mest økonomisk at bygget et vandkraftværk eller få en line ind fra Landsnet. Og i denne blok bliver set på alle økonomiske aspekter af projektet, priser for komponenter, arbejde versus hvad det koster at få line ind for en fiks pris. Hvordan: Der skal ringes ud priser for det hele og opsættes kostplan. Kobling mellem bloker: Denne blok forbindes ikke til nogen anden Afgrænsning Der vil ikke blive udført nogen test af systemet Der vil kun blive set på dimensionering af vandkraftværk Det er krave fra OV, hvis vandkraftværket tilsluttes til deres distribution net skal det være tre faset. Derfor bliver kun set på trefase system Syddansk Universitet Side 6 af 30

7 2. Analyse af installationen 2.1 Indledning I dette afsnit vil energi behøvet for bondegården blive undersøgt. Det vil sige at effekten som den bruger til opvarmning og til den almindelige el-installation skal estimeres. Hele installationen bliver ikke dimensioneret, der vil kun være brugt nogle tommelfinger regler til at estimere det. På grund af at bondegården vil være brugt som sommer hus regnes der med at når ingen er i huset bliver kun minimum opvarmningen i brug. Der regnes med at sommerhuset vil være brugt 2 hele måneder om sommeren og 30 weekender udover det hele året, det giver at sommerhuset er 150 dag i brug af 365 over et år. Til sidst i afsnittet bliver energien som findes undervejs i underafsnittene samlet til at finde ud den egentlig energibehøve i form af effekt. 2.2 Opvarmning af huset På grund af der er ikke noget varmt vand til stader hvor sommerhuset ligger er det nødvendigt at bruge elektricitet til opvarmning. Til det er der nogle muligheder, f.eks. elektrisk ovn i hvert værelse og elektriske tråd i gulvet. Sidste muligheden er udelukket på grund at der er tregulv som bliver slippet og derfor ikke muligt at implementere tråden i gulvet. Valg af ovne type bliver ikke nøjagtigere en at det bliver elektriske ovne i hvert værelse. Huset er opgivet til at være 90m 2 og det er i tre etager hvor hver etage er 30m 2. Ved at se på Tabel 2-1 a kan man se at hus med 3 Type af hus Enkelt plane hus Rækkehus, ende Rækkehus, midten Effekt afgivelse/m til 146 W/m til 115 W/m 2 90 til 100 W/m 2 etager har opgivet 90W/m 2. Men på grund af Hus optil 3 etager 90 W/m 2 det er et gammelt hus med ikke så gå isolation bliver der valgt at bruge 100W/ m 2 Tabel Varmeeffekt krave til opvarmning. Ligning 2-1 P opvarme = Effekten til opvarmning af huset F = Areal på huset i m 2 K = Effekt krave i W/m 2 Ud fra Ligning 2-1 kan man regne hvor meget effekt det behøves for at opvarme huset. Og effekten er fundet til at være 9000 W, så ovnene som skal i huset skulle i det mindste kunne afgive 9000 W. a Kildeliste, bøger nr. 1 side 947, tabel 9.1/1 Syddansk Universitet Side 7 af 30

8 2.2.1 Valg af ovne Med beregninger er det fundet at minimum effekten for opvarmning af huset er 9000 W, og nu skal findes hvor mange ovne og på hvilket størrelse de skal være i hvert værelse. Dermed findes den egentlig effekt til opvarmning af huset. Ovnene i huset bliver valgt med hensyn til Tabel 2-2, tabellen kan også findes på fabrikantens hjemmeside a hvor yderligere Watt Volt Mål HxL oplysninger kan findes. [W] 600 [V] 230 [mm] 400x552 I kælderen som er kun et enkelt værelse bliver der valgt tre 1500 W ovne. På stue etagen som er delt op i køkken, stue, toilet og indgang. Bliver der valgt tre 1000 W og tre 600 W. På 1.sal som er x x x924 delt op i to værelser og en trappeopgang bliver der valgt to x1172 W og to 600 W. 1.salen behøver ikke lige så meget opvarmning Tabel Ovne størrelser selv om gulvarealet er samme, fordi taget er skråt og brugbart areal er meget mindre på den etage. Og ved at regne effekt størrelsen på alle ovnene sammen fås W som er mere en de 9000 W som blev regnet til at være den mindste effekt til opvarmning af huset. 2.3 Opvarmning af vand For at kunne bade sig skal der også være en tank som opvarmer vandet. Og i dette tilfælde bliver bare valgt men ikke beregnet hvor meget vand der skal til. Der bliver valgt en varmetank på 120 L som har 2000 W element. 2.4 Almindelig el-installation Det almindelige hus installation bliver ikke designet og vist på tegninger, i stedet bliver estimeret hvor mange grupper og hvor store de er. Opvarmning af huset og vandet er ikke under den almindelige el-installation og bliver derfor ikke gentaget i dette afsnit. I Tabel 2-3 opstilles grupperne som bliver estimeret i sommerhuset, med strømstørrelse på automatsikringerne for hver gruppe og den maksimale effekt udregnet med ligning Ligning 2-2 b. Ligning 2-2 P grupper = Effekten i hver gruppe E = Spændings niveauet I = Strømstørrelsen i hver gruppe PF = Power faktor (den vil være antaget 0,9) a Kildeliste, hjemmeside nr. 1 b Kildeliste, hjemmeside nr. 2 Syddansk Universitet Side 8 af 30

9 Gruppe Gruppenavn Strømmen Effekten Gruppe. 1 Lys og stikkontakter 1.sal 10A 2300W Gruppe. 2 Lys og stikkontakter 2.sal 10A 2300W Gruppe. 3 Lys og stikkontakter kældere 10A 2300W Gruppe. 4 Opvaskemaskine 16A 3680W Gruppe. 5 Stikkontakt i kældere (nr.1) 16A 3680W Gruppe. 6 Stikkontakt i kældere (nr.2) 16A 3680W Gruppe. 7 Komfur 20A 4600W Gruppe. 8 Til undertavle i udhuse 25A 5750W Tabel 2-3 Estimeret tavleorden Det vil sige at hvis effekten i hele tavlen er samlet giver det W. 2.5 Beregninger Til at få hele effekten som sommerhuset behøver samlet skal alle tal værdierne i underafsnittene samles. Opvarmning af huset er med elektriske ovne og samlet størrelse W, opvarmning af vandet er med effekt på W og til sidst er den almindelige el-installation som har effekt på W. Effekten i tavlen bruges ikke hele tiden til fylds derfor ganges en faktor på som hedder samtidighedsfaktor som siger hvor stort procenttal bruges af effekten. Samtidighedsfactorene bliver valgt uden nogen forklaring. Samtidighedsfaktoren for opvarmning af huset og vandet bliver valgt til 0,7 effekt for opvarmning af huset bliver til 8400 W, effekten for opvarmning af vand bliver til 1400 W. Der er valgt en samtidighedsfaktor på 0,6 for grupper 1 til 3, 0,4 for grupper 4 og 5, 0,3 for grupper 5 og 6 og til sidst er der valgt en faktor på 0,5 for gruppe 8. Det vil sige at tabellen for hver gruppes effekt vil ser ud som Tabel 2-4 med samtidighedsfaktoren. Samlet effekt for tavlen bliver til W. Gruppe Gruppenavn Effekten Gruppe. 1 Lys og stikkontakter 1.sal 1380W Gruppe. 2 Lys og stikkontakter 2.sal 1380W Gruppe. 3 Lys og stikkontakter kældere 1380W Gruppe. 4 Opvaskemaskine 1472W Gruppe. 5 Stikkontakt i kældere (nr.1) 1104W Gruppe. 6 Stikkontakt i kældere (nr.2) 1104W Gruppe. 7 Komfur 1840W Gruppe. 8 Til undertavle i udhuse 2875W Tabel Den egentlige effekt for tavlen Syddansk Universitet Side 9 af 30

10 Samlet effektbrug af sommerhuset er regnet til at være W. 2.6 Delkonklusion I dette afsnit skulle effekt behøvet for sommerhuset estimeres med hjælp fra nogle tommelfingerregler og samlet med hensyn til samtidighedsfaktor til at finde ud den mindste effekt som åen skal afgive. Effekt behøvet for sommerhuset er fundet til at være W eller om kræng 22 kw. 3. Målinger 3.1 Indledning Det vigtigste i et vandkraftværk er hvor meget vand er i åen og faldhøjden, det skal kendes til at kunne regne energiindholdet i åen. I projektet bliver der brugt målte date i stedet for valgte og i dette afsnit er redegjort for de hilste målinger. Åen har ikke været målt tidligere og derfor er der ikke nogle resultater til sammenligning, men det har været besluttet at måle til at kende nogenlunde energien i åen i stedet for at gætte. 3.2 Vand hastigheden Vand hastigheden er målt i rummeter per sekund (m 3 /sek), målingerne kan laves på forskellige måder som bliver forklaret her nedenunder. Det skal så vælges en metode og konkluderes hvorfor den blev valgt Mulige målemetoder Beholder metoden Den målemetode bruges ved mindre åer hvor der er muligt at få vandet fra åen i rør eller rende. Vandet skal så føres i beholder som kan være tønde eller noget andet som har kendt størrelse, det vil sige hvor meget vand den kan bære. Det kan laves et mekanisk system som ses på Figur 3-1 eller noget lignende til at få vandet løbende ved siden af beholderen fordi det er Figur 3-1 Tønde målingen vigtigt at forhindre ikke vandet helt og lade det så komme alt på en gang, ved det bliver målingerne ubetydelig og unøjagtig. Lige så snart som vandet er henført i beholderen skal trykke start på stopur og stoppe lige før vandet flyder over kanterne på beholderen. Da tide er kend hvor hurtig det tager at fylde beholderen divideres tiden i sekunder med beholderens rummeter og der med er åens vandhastighed fundet, det skal laves nogle gang og middel værdien skal findes til at få mere nøjagtigt resultat. Den metode er ikke brugt normalt på grund af det er svært at få hele åen i rør eller rende til at kunne måle den, derfor bruges den kun i mindre åer. Syddansk Universitet Side 10 af 30

11 Overflade metoden Til at kunne bruge den måle metode skal en strækning af åen måles hvor åen har nogenlunde den samme bredde. På Figur 3-2 kan ses skitse af målemetoden hvor strækningen skal måles og bedst at den er mere 10 meter. Der næst skal findes en kork som skal flyde ned åen og måles tiden på. I gammeldage vare ofte brugt tør hestelort fordi det var nemt at finde og den flyd meget godt, men i nutiden finde der mange forskellig typer af kork som er ikke så ulækker som hestelort. Når tiden som det tager korken at flyde den kendte strækning har været målt nogle gange skal åens tværsnits areal finde set på Figur 3-3, Figur 3-2 Hastighed på overfladet det vil sige dybden af åen skal måles på flere steder og divideres med hvor mange gange det bliver målt, det skal så ganges med bredden af åen. Til at finde vand hastigheden skal tiden ganges med tværsnits arealet, det vil så give overflade hastigheden af åen. Og på grund af at den egentlig vand hastighed er cirka 75% til 85% af overflade hastigheden skal faktoren 0,75 eller 0,85 ganges på til sidst. Metoden er meget unøjagtig men hurtig og behøver ikke de store omkostninger, den bruges oftest i de tilfælde hvor vand mængden i åen skal findes i først omgang til at kunne estimere størrelsen af åen. Figur 3-3 Målt på tværs Propel metoden At måle vand hastigheden med propel er en meget nøjagtig metode. Med propel er muligt at måle hvor som helst i åens tværsnit lige som ses på Figur 3-4. De små punkter er målepunkter i tværsnittet af åen, med dem er muligt at lave en graf af vand hastigheden i åen og dermed nemt at regne middel værdien. Det er ikke nemt at få sådan en propeller lånt, og den er dyr. Det vil sige at den metode er dyr og bruges næsten kun til sidst i processen til at få bedste mulig data til at arbejde med til udregning af energi indholdet i Figur 3-4 Propel målinger åen Valg af metode Når der begyndes at vælge metode til at måle vand hastigheden i åen tages der hensyn til at det kun er begyndelses undersøgelse og derfor behøves der ikke de mest nøjagtige målemetoder. Den hurtigste og billigste metode er måske den bedste i dette tilfælde. Syddansk Universitet Side 11 af 30

12 Beholder målemetoden bliver hurtigt valgt fra på grund af at den vil tage lang tid og det vil også blive meget svært at få hele åen i en beholder, lige som fortalt tidligere behøves der ikke så nøjagtig måleresultat. Propel målemetoden bliver også valgt fra fordi at den er for dyr i dette projekt, i hvert fald så tidligt i processen og igen kommer det ind på at der behøves ikke så nøjagtig måleresultat. Det giver en målemetode som er hurtigt at lave og koster ikke så meget. Den giver forhåbentlig et resultat noget i nærheden af den rigtige vand hastighed. Det giver i hvert fald en talværdi til at arbejde med Resultater Tværsnits målinger Der skal findes en ellert to steder i åen hvor det er idealt at bruge overflade måle metoden. Der findes to steder hvor det er målt, den 1. måle sted hvor åen er bred og næsten vandret og 2. måle sted hvor åen er ikke så bred men ligger mere lodret. Hvor nu har været valgt to steder bliver Figur 3-5 Tværsnit på måle stederne tværsnittet målt på begge steder og vises skitse af de to på Figur 3-5. Resultaterne fra dybde målingerne kan ses i Tabel 3-1. Til at kunne beregne tværsnittet i de to måle steder bruges Ligning 3-1. Ligning 3-1 T = Tværsnittet i m 2 B = Bredden af åen i m n = Hvor mange målinger h n = dybden i cm 1. Måle sted 2. Måle sted Målt ved Dybde Målt ved Dybde 1 m 10 cm 0,5 m 25 cm 1,3 m 30 cm 1 m 35 cm 2 m 25 cm 1,5 m 40 cm 3 m 25 cm 2 m 40 cm 4 m 25 cm 2,5 m 35 cm 5 m 25 cm 2,7 m 15 cm 5,7 m 10 cm 6,6 m 5 cm Tabel 3-1 Dybde målinger Det vil give et tværsnit ved 1. måle sted på 1,34 m 2 og ved 2. måle sted på 0,95 m 2. Syddansk Universitet Side 12 af 30

13 Hastigheds målinger Så skal overflade hastigheden måles på begge steder, først skal der estimers en længde på målingerne og derefter vælges hvilke type af kork bruges ved målingerne. Længden på 1. måle staden er målt til at være 15 m, hvor længden på 2. målesten er målt til at være 25 m. Ved valg af noget til at måle hastigheden af åen skulle der findes noget som kunne flyde men det skulle også være lidt tungt. På Figur 3-6 ses kokkene som blev brugt, A) en fiskenets ring, B) en fiskenets bolde og C) Figur 3-6 Valg af kork en cola flaske. A) fik de stabileste resultat hvor B) stoppede på mange steder og de resultater kunne derfor ikke bruges til noget, C) blev brugt på grund af at A) blev tabt og der var ikke nogen anden til steder. Resultaterne af målingerne kan ses i Tabel Måle sted 2. Måle sted 15 m 21 sek. 25 m 32 sek. 15 m 18 sek. 25 m 34 sek. 15 m 17 sek. 25 m 33 sek. 15 m 17 sek. 25 m 35 sek. 15 m 15 sek. 25 m 34 sek. Tabel 3-2 Overflade hastigheden Nu skal gennemsnits værdien af målingerne findes for begge steder, ved 1. måle staden er gennemsnittet på 17,6 sek. hvorimod den er 33,6 ved 2. måle stad. Nu er alle målinger blevet fremført og derfor muligt for at beregne vand hastigheden i åen ud fra Ligning 3-2 det skal også gange overflade faktoren på. Der er snakket om at egentlig vandhastighed er cirka % af den overfladiske vandhastighed og derfor skal en faktor på 0,75 0,85 ganges på, i dette projekt vælges der at gange en faktor 0,6 på til at minimere måle fejle og ligge på den sikre side. Ligning 3-2 Q = Vand hastigheden i m 3 /sek. T = Tværsnittet af åen i m 2 L = Måle længden i m t = Gennemsnits tiden af målingerne i sek. Disse beregninger giver en vand hastighed ved 1. måle staden på 1,14 m 3 /sek. og ved 2. måle sted på 0,71 m 3 /sek. Når faktoren har været lagt til giver det en vand hastighed på 0,69 m 3 /sek. ved 1. Måle sted og 0,42 m 3 /sek. ved 2. måle stad. Middelværdien af vandhastigheden ved 1. måle sted og 2. måle stad er vand hastigheden i åen og beregnes til at være 0,56 m 3 /sek. Syddansk Universitet Side 13 af 30

14 3.3 Fald højden Fald højden er målt i meter (m), målingerne kan laves på forskellige måder som bliver forklaret her nedenunder. Det skal så vælges en metode og konkluderes hvorfor den blev valgt Mulige metoder Højdeline metoden Til at måle højdeforskelle på kort lige som på Figur 3-7 skal der vides at mellem de er 20 metre mellem de orange liner, så er det bare at tælle hvor mange linjer er mellem de to punkter højdeforskellen skal findes. Det vil ikke give meget præcise resultat men det er hurtig og enkel metode. GPS metoden Figur 3-7 Højdeliner At måle med GPS udstyr er enkelt og meget præses metode den er også meget dyr. På Figur 3-8 er skitse af opstilling af udstyret hvor GPS apparatet er stationeret på en sted og kommunikerer med satellit og måle propellen, via trekantsberegninger finder GPS udstyret ud positionen af måle propellen. Måle propellen kan sige hvor højt over havoverfladen den ligger og hvis punktet hvor vandet kommer ud af turbine huset er nulpunktet er nemt at finde ud højdeforskellen til vandoverfladen ved dammen. Figur 3-8 GPS opstilling Syddansk Universitet Side 14 af 30

15 3.3.2 Val af metode Der blev ikke noget valg når det kom til at vælge hvilken metode skulle bruges til at måle højdeforskellen. Hvor et firma som had lige købt GPS udstyr tilbød det til projektet med en mand fra dem til at lære på det uden nogen pris. Det blev derfor valgt at bruge GPS metoden på grund at den er mere præcis end højdeline metoden Resultat Højdeforskellen måles fra dammen til hvor vandet flyder ud fra turbine huset, og højdeforskellen måles til 67,4 m. 3.4 Delkonklusion I afsnittet skulle vigtigste målinger i rapporten dokumenteres, det er vand hastigheds målingerne og højdeforskel målingerne. Det lykkedes fint at måle vandhastigheden hvor der blev målt på to steder i åen men på grund af stor usikkerhed i målingerne bliver faktoren som skulle ganges på set lavere end normalt. Det er gjort til at formindske måle fejler som er mange ved den type af måle metode som blev brugt. Højdeforskellen blev nem at måle med hjælp af GPS udstyr og resultatet meget nøjagtigt. Nu med disse vigtige måle resultater som blev fundet i dette afsnit, vandhastighed på 0,56 m3/sek. og højdeforskel på 67,4 m, er muligt at regne ud energi indholdet i åen. 4. Energi beregninger af åen 4.1 Indledning Afsnittet vil gå ud på at beregne ud fra måledata fra afsnit XX, hvor meget energi i form af effekt der er muligt at få ud af åen. Det vil give er resultat om hvor stort kraftværket kan blive, og vil de data blive brugt til at dimensionere vandkraftværket. 4.2 Brugbar effekt Til at beregne ud effekt som åen kan afgive skal vandhastigheden og faldhøjden kendes og det har været gjort nu og kan findes i afsnit xx og xx. Effekten er symboliseret med P og måles i watt, og kan beregnes ud fra Ligning 4-1 a. Ligning 4-1 P = Energi indholdet i åen [W] ρ = Vand densitet [kg/m 3 ] a Kildeliste, hjemmeside nr xx side 157 Syddansk Universitet Side 15 af 30

16 Q = Vandhastigheden [m 3 /s] g = gravitet [m/s 2 ] H = Fald højde [m] Nyttegraden i systemet skal også ind i formelen men den er ikke kendt endnu så den skal estimeres og bliver valgt til at være 70% af hele systemet, det vil garanteret holde indenfor det endelige resultat. Fra afsnit xx fås at vandhastigheden er 0,56 m 3 /s og i afsnit xx fås faldhøjde på 67,4 m. Vand densiteten er 1 kg/m 3, graviteten 9,81 m/s 2 og dermed er alle variablerne i Ligning 4-2 kommet hvor η er nyttegraden 0,7. Ligning 4-2 Resultatet giver en effekt fra vandkraftværket på 259,2 kw 4.3 Delkonklusion Produceret effekt fra vandkraftværket er regnet til at være 259 kw, det er regnet med en valgt nyttegrade. Effekten kan muligvis ændres i løbet af rapporten når nyttegraden for hver komponent findes. Men indtil videre bruges 259 kw i beregninger. Det betyder at kraftværket har det fornemt med at producere effekten som sommerhuset behøver og har nok effekt til bage til at sælge ind på nettet. Syddansk Universitet Side 16 af 30

17 Dimensionering af vandkraftværket 5. Bygninger, dæm og røret 5.1 Indledning Til at kunne få vandet ind i røret som så fører det ned i turbine huset, skal laves dæmme. I dette afsnit bliver kun set på mulighederne i valg af dæm men ikke valgt nogen. Hvor det skal fås nogen ekspertise hjælp med valget. Det vil også være set på bygningen som behøves og det er kun turbine huset. Til sidst i afsnittet bliver røret fra dæmmet til turbine huset dimensioneret. 5.2 Dæmmet Til at få nogen ide om stedet hvor dæmmet skal stå skal Figur 5-1 undersøges. Gamle dæmmet kan tydeligt ses på billedet hvor åen divideres. Ideen er at lave dæmmet større en det gamle og ved det skabes flere muligheder. Det vil skabe at når det er mere vand i åen vil det samles og kunne bruges senere. Dæmmet kan også flyttes højere op i åen og ved det vil det blive mulighed for at producere mere effekt. Mulighed for opbygning af Figur 5-1 Gamle dæmmet dæmmet kan ses på Figur 5-2 hvor det vil ikke blive brugt meget cement, men i stedet stener og møge. Figur 5-2 Tværsnit af opbygningen af dæmmet Syddansk Universitet Side 17 af 30

18 En mulighed er at lave dæmmet på samme sted og den gamle vist på Figur 5-3 hvor overfaldet bliver i midten og indtaget for vandet som løber ned i turbine huset er nederst i højre siden. Figur 5-3 Mulighed for opbygning Men lige som sagt i indledningen bliver ikke nogen beslutning i valg af muligheder hvor det er også mulighed for at flytte dæmmet lidt højere i åen og vil det give den plus at dæmmet bliver ikke så langt som i muligheden ved gamle stedet. Dette er ideer som skal snakkes om ved nogle eksperter i området. 5.3 Turbine huset Turbine huset er til steder og ligger ned ved søen og behøves kun at laves om med små omkostninger, hvor gamle komponenterne skal udbyttes med de nye. Turbine huset kan ses på Figur Dimensionering af røret Der er også mulighed for at regne ud størrelsen på røret som ligger fra dæmmet til turbine huset. Fleste fabrikanter og formuler siger at Figur 5-4 Turbine huset Syddansk Universitet Side 18 af 30

19 vand hastigheden i gennem rørene ligger mellem 1-3 m/s og ud fra det kan diameteren af røret findes. Røret sælges efter diameter størrelser og derfor skal diameteren findes. Med Ligning 5-1 kan arealet af røret findes. Ligning 5-1 A rør = Arealet på røret i m 2 Q = Vand hastigheden i åen målt i m 3 /s v rør = Vand hastigheden i røret målt i m/s Ved at vælge vand hastighed i røret på 2 m/s og vand hastigheden i åen findes i afsnitt X 0,56 m 3 /s. Dermed kan arealet af røret regnes til 0,28 m 2 og radiussen kan så findes med Ligning 5-2. Ligning 5-2 r rør = Radiussen på røret i m π = Pi, konstant lige med 3,14 Nu mangler at finde ud diameter størrelsen på røret og det er simpelt fordi at diameteren er to gange radius og findes dermed til 0,56 m. Og ud fra fabrikant oplysninger vælges rør som har diameteren 0,6m a. Arealet findes igen via Ligning 5-3. Ligning 5-3 A 0,6m = Aktuelt areal på røret målt i m 2 r 0,6m = Aktuel radius på røret målt i m π = Pi, konstant lige med 3,14 Og dermed findes den aktuelle vand hastighed i røret med Ligning 5-4 Ligning 5-4 v 0,6 = Aktuel vand hastighed i røret målt i m/s Q = Vand hastigheden i åen målt i m 3 /s Vand hastigheden i røret er regnet til at være 1,98 m/s som er meget tæt på det valgte værdi. a Hjemmeside 3, side 5 Syddansk Universitet Side 19 af 30

20 5.5 Delkonklusion I afsnittet blev set på opbygninger af dæmmet og nogle skrevet nogle ideer men det blev ikke valgt nogen, det skal vælges hvis vandkraftværket visest til at betale sig. Der var også kommet lidt ind på bygninger som tilhører sådan en konstruktion. Der er et turbine hus i forvejen og det skal kun ombygges lidt. Til sidst var røret fra dæmmet til turbine huset dimensioneret og blev valgt et rør med 0,6 m i diameter og vil det give en vand hastighed i gennem det på 1,98 m/s. 6. Turbinen 6.1 Indledning Tidligere har været regnet hvor meget effekt åen kan producere, til at kunne producere nogen effekt ud af åen bruges der turbine som omformerer energien i åen til mekaniske energi. I dette afsnit bliver set på mulighederne og valgt nogen turbine til projektet. 6.2 Muligheder Det er flere forskellige muligheder i valg af turbiner, nogle arbejde bedst ved højt fald og mindre vand hastighed og andre lav fald højde og mere vand hastighed. Der er også nogle som ligger midt i mellem. Ved at kikke på Figur 6-1 er muligt at se hvilke typer af turbiner arbejde i omrodet som åen i projektet ligger i. Figur 6-1 Hvilken omrode turbinerne arbejde ved Syddansk Universitet Side 20 af 30

21 På Figur 6-1 har været lavet brune liner med hensyn til faldhøjden og vand hastigheden som blev fundet i afsnit XX og dermed fundet et skæringspunkt lavet med rød kryds. Punktet ligger indenfor omrode flere forskellige typer af turbiner for eksempel Pelton, Turgo, Francis og Cross-flow. Det er svært at vælge en type ud fra oplysningerne i Figur 6-1 men ved at beregne turbinens specifik rotation hastighed ud fra en valgt hastighed er muligt at finde den ene korrekte løsning. 6.3 Valg af turbine Ved bygning af så lille vandkraftværk er gået ud fra at turbinen bliver direkte koblet til generatoren som vil så lave elektriciteten (bliver forklaret bedre i Afsnitt XX). Tabel 6-1 viser synkron generators med forskellig rotation hastighed, frequency og antal poler. Jo flere poler vil generatoren rotere langsommere og mindre frequency vil også årsag i at generatoren vil rotere langsommere. Flere poler generatorerne har, dyrere bliver de og større. Der bliver derfor valgt en generator med 4 poler og nettet er 50 Hz og dermed bliver valgt rotation hastigheden 1500 O/min. Tabel 6-1 Generators synkron hastighed Ud fra Ligning 6-1 kan turbinens specifik rotation hastighed regnes. Ligning 6-1 n QE = turbinens specifik rotation hastighed [O/m] n = turbinens rotation hastighed [O/s] Q = vand hastigheden [m 3 /s] E = specifik hydraulik energi af maskinen [J/kg] Til at kunne regne ud turbinens specifik rotation hastighed skal E findes og det kan findes med hjælp fra Ligning 6-2. Ligning 6-2 g = H = accelerationen på grund af gravitation fald højden Syddansk Universitet Side 21 af 30

22 Når E har været regnet til 661 kan n QE også regnes til 0,143, det kan så sammenlignes med Tabel 6-2 hvor værdien for den specifikke rotation hastighed for hver turbine type kan findes. Ud fra det kan der kun bruges en type af turbine og det er Francis turbine. Turbinerne har to grupper som hedder impuls og reaktion Tabel 6-2 Specifik rotation hastighed forskellig turbine typer turbiner. Der har været beregnet frem til at brug Francis turbine, den hører til reaktion turbiner og dermed bliver impuls udelukket fra vider forklaring. Reaktion turbiner Reaktion turbiner arbejde på den måde at vandet som kommer ind i turbinen flyder på engang i gennem turbinen og bruger derfor tryk til at få turbinen til at rotere, på Figur 6-2 normal opbygning af hjul i Francis turbine ses. Figur 6-2 Francis turbine Og til at kunne forstå opbygningen af turbinen bedre ses Figur 6-4 hvor der er vist hvordan vandet kommer ind i spiralen og hvordan det flyder ind på siden af hjulet som er i midten af figuren og flyder så ned. Aksen af turbinen kan også ses hvor den står direkte op. Figur 6-4 Tværsnit af Francis turbine Figur 6-3 Francis lodret Når Francis turbine er direkte koblet bliver aksen vandret og ved det er spiralen lodret det kan ses på Figur 6-3. Syddansk Universitet Side 22 af 30

23 6.4 Delkonklusion I afsnittet skulle der findes en turbine til projektet ud af flere typer, med forskellig arbejdsomrode. Ved at bruge figur til at finde hvilken type skulle bruges var der fundet flere typer som kunne bruges og det er ikke accepteret. Bedste typen skulle findes og det var muligt med hjælp fra ligning og en tabel, det lykkedes at finde frem til at bedste turbinen ved den fald højde og med den vandhastighed er direkte koblet Francis turbine som har specifik rotation hastighed på 0,143 O/sek og aksen roterer på 1500 O/min. 7. Generator 7.1 Indledning Til at kunne producere elektrisk effekt ud af turbinen skal konvertere mekanisk energi fra turbinen til en elektrisk energi via en generator. I dette afsnit bliver bl.a. set på opbygningen af synkron generator og hvordan den konverterer mekaniske energi til elektrisk energi. I Afsnit XX kommer frem at kraftværket skal være tre faset system hvis det vil tilsluttes til nettet. Derfor er tre faset generator valgt uden videre undersøgelse. 7.2 Opbygning Til at forstå hvordan generator konverter mekanisk energi til elektrisk er godt at kikke på grunden i energi konvertering mellem elektrisk og mekanisk energi. På Figur 7-1 kan der ses en magnet som ligner C som har viklinger om sig der bliver kaldt Circuit 1 strømmen i 1, der er også en mindre magnet i luftgabet af C et som har viklinger om sig som bliver kaldt Circuit 2 og strømmen i 2. Når der løber strøm i 1, magnetiseres C et og der begynder en flux spredning i luftgabet men lille magneten holdes fast til der begynder at løbe pulserende strøm i 2. Hvis lillemagneten er fri til at bevæge sig Figur 7-1 Fundamental i opbygning af generator begynder den at rotere i luftgabet og derved har elektrisk energi blevet konverteret til mekanisk energi. Når energien bliver konverteret på den måde kaldes det motor men der er også muligt at konvertere mekaniske energi til elektrisk på næsten samme måde. Det er ved at rotere den lille magnet og strømmen i 2 løber, ved det induceres strøm i 1 og modstanden i viklingerne skaber spænding, det kaldes generator når energien bliver konverteret på den måde. Syddansk Universitet Side 23 af 30

24 Almindelig opbygning af generator har stator sammenlignet med C et i Figur 7-1 hvor det er den faste del af generatoren oftest huset, rotor sammenlignet med lillemagneten i Figur 7-1 som er den roterende del af generatoren og sidst polerne. Når der er flere poler er muligt at producere samme effekt med mindre rotation hastighed. Figur 7-2 viser tofaset generator med to poler eller et pol pat. Det er også almindelig opbygning af generator, der kan ses rotor viklinger, stator (huset), rotor, akslen, polerne og udtaget. Figur 7-3 viser trefaset generator bygget på samme måden med et pol par, tre poler og udtagen L1, L2, L3 og N. 7.3 Valg af type Der er tre typer af generatorer som kan bruges i kraftværker til at producere effekt, det er DC (Dirket Current), AC (Alternating Current) med under grupper synkron og asynkron generatorer. Distribution nettene er alle AC og dermed bliver der bedst at brug en AC generator i stedt for DC. Der efter skal vælges om det bliver synkron eller asynkron generator. Figur Tofaset generator med et pol par Figur 7-3 Trefaset generator med et pol par Synkron generator bliver oftest brugt i mindre kraftværker. Den er opbygget med de to reguler dele stator som er den faste del og rotor som er den roterende del og den har også exciter. Exciter bruges til at starte generatoren og kan være, kondensator eller ekstra DC motor. Nogle generator har indbygget exciter og er de enkelte en de oven nævnte og er derfor billigere. Hvis kraftværket ikke skal kobles på nettet er synkron generator den ene løsning. Asynkron generator er også opbygget på samme måde og synkron generator med stator og rotor men der er ikke nogen exciter og det vil sig at den er meget billigere end synkron. Den kan kun producere effekt hvis den er koblet til nettet og dermed bliver den afhængig af nettet. Asynkron producerer kun real effekt og trækker imaginær effekt fra nettet. Det tyder at der bliver betalt mindre for hver kwt og nyttegraden er også minde en i synkron generator. I dette projekt bliver valgt 250 KVA, 400 V trefaset synkron generator. Synkron generatoren bliver valgt fordi den har højere nyttegrade end asynkron generator, der fås højere pris for kwt hvis der bruges synkron generator. Og hvis kraftværket skal kunne køre uafhængig af nettet er det nødvendigt at brug synkron generator. 7.4 Beregninger Strømmen i generatoren beregnes med Ligning 7-2. Syddansk Universitet Side 24 af 30

25 Ligning 7-1 I = strøm niveauet fra generatoren S = generatorens mærkeeffekt U= spændings niveauet i generatoren Generatoren producerer 250 KVA af effekt og har spændings niveau på 400 V, ved det beregnes strømmen til at være 360 A. Til at vise hvordan en generator producerer effekt skal der kikkes på nogle formler. Det skal også besluttes hvor mange poler der er i generatoren. I afsnitt XX om turbinen bliver der valgt en omdrejnings hastighed på 1500 O/min og på grund af at turbinen og generatoren skal være direkte koblet skal generatoren også arbejde på den hastighed. Med hjælp fra Ligning 7-2 a kan der findes hvor mange poler der skal være i generatoren. Ligning 7-2 n gen = omdrejnings hastigheden på generatoren f = frekvens i systemet p p = antal pol parrene i generatoren Distributionsnettet som bliver koblet til er på 50 Hz og dermed regnes der til at være 2 pol par i generatoren. Der er også mulighed for at vise med formler hvordan generator konverterer mekanisk energi til elektriske energi. Figur 7-4 viser tre faset synkron generator med viklingerne aa, bb ob cc forskudt med 120 elektriske grader. Den viser også sinus form over spændingen i viklingerne når rotoren roterer. Figur 7-4 Trefaset synkron generator a Kildeliste, bøger nr XX Syddansk Universitet Side 25 af 30

26 Den roterende flux inducerer spænding i armatur viklingerne, og størrelsen af den spænding kan findes med hjælp fra Ligning 7-3 a Ligning 7-3 E rms = induceret spænding i generatoren f = frekvensen i generatoren Φ p = luftgabe flux per pol K w = reduktion faktor 7.5 Power faktor Princippet med power faktoren (PF) er meget enkelt og er nemmest at forklare det med Figur 7-5 hvor den viser en mand som prøver at trække en traktor. Manden er meget større end traktoren og dermed behøver han at brug mere kraft til at trække den end hvis han trækker den i samme plan. Det må sammenligne manden med generator og traktoren belastningen på generatoren. Det viser sig et effekten som generatoren behøver at producere mere effekt end det som trækker belastningen. Forholdet mellem reel effekt P og tilsyneladende effekt S kaldes power faktor, cos(φ) eller PF. Det tyder at ved lavere PF behøves større generator til at producere samme reel effekt. Figur 7-5 Power faktor 7.6 Delkonklusion I afsnittet forklaret det grundlæggende principper for energi konvertering, det vil sig mellem mekanisk og elektrisk systemer. Der er også valgt 250 KVA, 400V trefaset synkron generator med omdrejnings hastighed på 1500 O/min. Der var også opstillet nogle ligninger til at beregne antal poler i generatoren og hvordan inducerede spænding i stator siden er beregnet. Til sidst kom lille forklaring på power faktor (PF). a Kildeliste, bøger nr.xx side 216 Syddansk Universitet Side 26 af 30

27 8. Transformer 9. Kabler 9.1 Indledning I projektet er to ledere som der skal blive redegjort for valg af deres tværsnits areal. Det er trefase 400 V line fra turbine huset til sommer huset som flutter de 22 kw der blev fundet i Afsnit XX. Og trefase 19 kv linen fra turbine huset til forbindelsespunktet ved distribution nettet den transmitter rasten af producerede effekt eller om kræng 230 kw. 19 kv linen skal opfylde krave om spændings fald i linen fra turbine huset til forbindelsespunktet må ikke være mere en ±10 %. 9.2 Valg af kabler Leder fra turbine hus til sommerhuset Ved bestemmelse af størrelse af 230 V linen er kikket i den islandske stærkstrøms bekendtgørelse hvor der findes tabel som er vist i Figur 9-1 a. Figur 9-1 Tabel fra den islandske stærkstrøms bekendtgørelse a Kildeliste nr. XX Syddansk Universitet Side 27 af 30

28 Der kan ses hældt til venstre er størrelsen på kabalen i mm 2 og så er der flokker nummeret fra en op til tre. Inden for hver flok er også vist hvor meget strøm kabalen tåler i aluminium og kobber. Flokkur 1 : En eller flere en leder i isolerende rør, f.eks. plast rør. Flokkur 2 : Fleder ledere kabel, f.eks. plast kabler. Flokkur 3 : En leder som ligger udvendigt, med mellemrum mindst lige med tværsnittet af lederen Til at bestemme strømstørrelsen af kabalen bruges Ligning 9-1. Og der efter skal Figur 9-1 bruges til at finde tværsnittet af kabalen. Kabalen vil blive fremført i plastik rør i jorden og dermed bruges flokkur 1 til at finde tværsnittet. Ligning 9-1 I = P = U = Strømmen i kabalen Effekten i gennem lederen Spændings niveauet i kabalen Spændingen i lederen er 230 V og effekten 22 kw dermed findes strømmen i lederen til at være om kræng 32 A det vil sig at kabalen skal kunne bære det. Ved at kikke på Figur 9-1 flokkur 1 kan ses at 10 mm 2 aluminium bærer 38 A og 6 mm 2 kobber kan bære 35 A. Men til at kabalen bliver lidt overdimensioneret vælges der at brug 10 mm 2 kobber hvor den bærer 48 A. Leder fra turbine hus til distribution nettet Lige som fortalt i Afsnit XX er spændings niveau på distribution nettet 11 kv og dermed skal kabalen kunne tåle den spænding. Når der skal distribuere bruges høj spænding til at formindske tab i lederen, f.eks. spændings tab og dermed effekt tab. Der skal vælges kapel også bliver der regnet spændings tab og effekt tab i lederen. Strømmen i lederen kan beregnes med Ligning 9-1 hvor spændingen er lige med 11 kv og effekten producerede effekten fra generatoren minus effekten til huset. Det vil sig at effekten som regne må med er cirka 230 kw, Figur 9-2 Tværsnits data for treledere 12 kv kabel Syddansk Universitet Side 28 af 30

29 strømmen regnes til at være om kræng 12 A. Figur 9-2 viser hvor stor strøm tre ledere 12 kv kabel kan bære, enten som kopper eller aluminium. Påvirkende temperatur overstiger ikke 65 C derfor bliver set på leder tværsnit som med hensyn til det. Mindste tværsnit for hver type af kabalen er 25 mm 2 og kan kopper bære 120 A og aluminium bærer 100 A som er meget mere end de beregnede 12 A. Der vælges en aluminium kabale med tværsnit 25 mm 2. På grund af kabalen er så meget overdimensioneret behøves ikke at gange de faktors på til at finde ud om strømmen som ledere kan bære bliver lavere en det han skal kunne bære. Det viser sig at hvis der bliver ganget en faktor 0,1 på bliver strømmen 10 A det vil skride nedunder det maximale strøm værdi i lederen. 9.3 Beregninger Til at kunne beregne tab i lederen skal impedansen i kabalen findes. I Figur 9-3 kan læses at modstanden i kabalen er lig med 1,2 Ω/km. Figur 9-3 Data om kabalen til at beregne den nominel π led Mangler rasten af afsnittet. 10. Beskyttelse 11. Styring af systemet 12. Økonomien Syddansk Universitet Side 29 af 30

30 13. Kildeliste 13.1 Bøger Nr. ISBN Titel Forfatter Udgivelses år Brugt i Electrical Installations Kenneth G Opvarmning Handbook King 2 Hvordan lille VGK ingeniør 2003 Flere afsnit vandkraftværk bygges firma 3 Guide on how to Celso Penche 2004 Flere afsnit develop a small hydropower plant Kompendium i fysik Steen Hoffmann 1994 Generator El ståbi Thomas 1988 Flere afsnit Kibsgård Hjemmesider Nr. URL Type Brugt i 1 Firma Opvarmning side 2 Formuler El-installation side 3 Firma side Dimensionering af røret 4 Firma side Styring af systemet Syddansk Universitet Side 30 af 30