Mikrovandkraftværk. Artek/DTU. Installation og drift af et. - Hydraulik. Artek, Sisimiut. Vejleder: Professor Morten Holtegaard Nielsen

Transkript

1 Installation og drift af et Mikrovandkraftværk Artek/DTU - Hydraulik Miljø & Ressourcer Artek, Sisimiut Projektet afleveret 21. august, 2009 Vejleder: Professor Morten Holtegaard Nielsen 1

2 Forord Dette projekt er udarbejdet som led i kursus Miljø og Ressourcer og omhandler brug af alt opnået viden indenfor hydraulik. Projektet strækker sig over en periode på 3 uger. Vejleder er Morten Holtegaard Nielsen, Center for Arktisk Teknologi, BYG DTU. Forfattere: Fredag d s Knut Jensen s Kasper Steensen s Eberhard Bechtle 2

3 Indholdsfortegnelse Forord... 2 Indholdsfortegnelse... 3 Indledning... 5 Elforsyning i Grønland... 5 Vedvarende energi... 5 El-forbrug og nuværende priser... 6 Vandkraftpotentiale ved udvalgte turisthytter og bygder... 6 Ufoen (Majoriaq)... 6 Scooter hytten... 6 Hytten ved 1. Fjorden (Kangerluarsuk Tulleq)... 7 Børnehjemshytten ved Utoqqaat... 7 Fangerhytten ved Utoqqaat... 8 Bygden Sarfannguit (120 indbyggere)... 8 Hytten ved Igalassat Eqalugaarniarfik ved Itinneq Hytten på højlandet Tuttu (Rensdyrhytten) Kanocenteret Katiffik (Bryllupshytten) Bygden Kangerlussuaq (500 indbyggere) Hydraulisk teori Hydraulik Bernoullis ligning Energiligningen Middelhastighed Hastighedsfordelingskoefficienten Energiliniens gradient Colebrooks formel Karman Tal Tab i knæk, bøjning og indsnævring Vandturbiner Opsætning og afprøvning Turbinen Elektriske System Felten Konklusion Resultat behandling

4 Transport Vandføring Rørføring Vinterdrift Elektrisk installation Referencer Literatur Internet Bilag Data fra vandturbine Priseksempler på mikrovandkraftværker Fysiske konstanter Grønlands vandkraftværker

5 Indledning Elforsyning i Grønland Elforsyningen er i de fleste byer og bygder baseret på dieseldrevne el- og kraftværker. Den energi der findes i olien omdannes til mekanisk energi i en dieselmotor, i form af en rotation. Dieselmotoren er koblet sammen med en generator, der producerer el, når den roterer. Elværker udnytter ikke energien i olien ret godt. Kun omkring % af energien i olien omdannes til elektrisk energi. Hvis man, i form af kraftvarmeværker, også udnytter overskydende varme fra dieselmotoren til opvarmning af bygninger og varmt brugsvand fjernvarme kan udnyttelsen af oliens energi under grønlandske forhold stige til omkring %. Vedvarende energi Der har de senere år været stigende fokus på, hvordan vedvarende energikilder kan anvendes i energiforsyningen. Vandkraft er en oplagt mulighed, idet landet har et vandkraftpotentiale, der ligger mange gange over det nuværende samlede energiforbrug. Der er udpeget mere end 15 steder, hvor det er muligt at placere vandkraftstationer til både forbruger og industrielle formål; i alt et potentiale på GWh pr. år. I de byer hvor der produceres el fra vandkraftværker, udnytter man kraften som er i faldende vand. Jo længere vandet falder, jo mere el kan værket producere. Det styrtende vand driver turbinerne rundt, så de kan trække generatorerne, som producerer el. Omkring 90 % af vandets energi omdannes til el i de større anlæg. Virkningsgraden i mindre anlæg kan falde til 50 %. Det er oplagt at øge udnyttelsen af de betydelige potentialer for vedvarende energi, som Grønland rummer i form af vandkraft. At øge andelen af vedvarende energi betydelig kræver dog nye teknologier og muligheder for at lagre energien. Dette for at balancere sæsonudsving på forbrug og for at kunne forflytte energien til steder uden lokalt potentiale for vedvarende energi. Fremtidsmuligheder Et projekt i forbindelse med Grønlands vand- og energiforsyningsselskab Nukissiorfits hovedkontor i Nuuk skal netop undersøge muligheden for at bruge brint og brændselsceller som energilager i Grønland. Ideen er at anvende elektricitet i perioder med overskud af vandkraft til at spalte vand til brint og lagre denne. I perioder med større energiforbrug, typisk om vinteren, omdannes brint igen til strøm og varme i en brændselscelle. Alternativt vil brinten i fremtiden kunne transporteres direkte til byer og bygder hvor der ikke er mulighed for at producere miljøvenlig, vedvarende energi. Med brint og brændselsceller kan det blive muligt på sigt for Nukissiorfiit helt at undgå anvendelse af diesel til el- og varmeproduktion. Ligeledes vil brint kunne anvendes som brændstof i transportsektoren, og med de betydelige vandkraft potentialer kan eksport af brint også være en mulighed i fremtiden. 5

6 Andre typer for energilagring som for eksempel batterier tilpasset de arktiske forhold kan blive aktuelle. El-forbrug og nuværende priser El-forbruget i Grønland er gennemsnitlig omkring 300 GWh el pr. år. En gennemsnitlig husstand i Grønland bruger omkring kwh el pr. år. Elprisen per for kundegruppe 1 (almindelige forbrugere) er 2,82 Kr / kwh i bygder, lidt billigere i byerne ( for eksempel 2,23 Kr/kWh i Sisimiut) og med 1,48 Kr /kwh billigst i vandkraftforsynede byer som Nuuk. I dag dækker vandkraften over 40 procent af landets energiforbrug, og Grønland får dermed en meget høj andel af energiforbruget dækket af vedvarende energi. Den resterende del produceres ved brug af diesel. Især de mindre byer og bygder er afhængige af dieselkraft, hvor flere af dem ikke har mulighed for etablering af vandkraft eller anden form for vedvarende energi i større skala. Hertil kommer at dieseldrevet energiproduktion bruges som reserve i de byer som i dag bliver forsynet med energi fra vandkraftværker. Foruden den betydelige forurening fra brugen af diesel, er selve afhængigheden af importeret diesel en udfordring på sigt. De store prisstigninger på olie i 2008, resulterede i stigende dieselpriser i Grønland og tilsvarende øgede omkostninger for forbrugerne i energiforsyningen. På længere sigt, hvor olien bliver knap og dyr kan dette udgøre en betydelig udfordring for energiforsyningen i Grønland. Det er et problem, at byer og bygder ligger så adskilt, at det er meget vanskeligt at etablere netværksdrift - hver by eller bygd skal i princippet have sit eget vandkraftværk, og det er en dyr løsning. Mini- og mikrovandkraftværker kan måske være en løsning på det problem. I vores projekt undersøger vi muligheden for anvendelse af de mindste vandkraftværker i forbindelse med jagt- og turisthytter, enkeltstående sommerhuse, midlertidige byggepladser og (forsknings-)camps. Vandkraftpotentiale ved udvalgte turisthytter og bygder For at undersøge vandkraftpotentialet i forbindelse med turist- og fangerhytter på strækningen Sisimiut Sarfannguaq Kangerlussuaq blev der i uge 31 / 32 foretaget en vandring. Ufoen (Majoriaq) ( ,5 N, ,1 W ) er højt beliggende med en lille sø og et mindre vandløb i ca. 200 m afstand. Vandkraftpotentialet er uinteressant. Scooter hytten ( ,4 N, ,0 W ) er højt beliggende uden sø eller vandløb i nærheden. 6

7 Der er ikke noget potentiale for vandkraft. Hytten ved 1. Fjorden (Kangerluarsuk Tulleq) ( ,3 N, ,1 W ) ligger tæt ved (ca. 70 m) udløbet af en elv til fjorden. Elven havde ultimo juli 2009 efter 6 uger uden nedbør stadig en betydelig vandføring på ca. 180 l/s. Elven falder dog kun med en hældning på 1-2 % tæt ved udmundingen. Afstand til søen (højde over havet ca.14 m, volumen ca. 0,012 km 3 ) er 700 m. Jagthytten ved Kangerluarsuq Tulleq Der er potentiale til et mikrovandkraftværk med en turbine beregnet til et lille fald og stort flow. Idet elven er en fiskeelv med vandring af fjeldørreder er det dog ikke aktuelt at beslaglægge en betydelig del af vandføringen. Afstanden til søen vurderes at være for stor til, at en udnyttelse som reservoir kan komme på tale. Det kunne overvejes at installere et lille anlæg med lav ydelse (ca. 200 W) til opladning af batterier og lys i hytten. Vandkraftpotentialet er ringe. Hvis søen brugtes som reservoir ville en kontinuerlig strømforsyning sandsynligvis kunne opretholdes også om vinteren. Dette kræver dog nærmere undersøgelser og er ikke umiddelbart oplagt. Børnehjemshytten ved Utoqqaat ( ,3 N, ,8 W ) ligger klods op (ca. 50 m) ad udløbet af en elv til Amerloq fjorden. Vandføringen skønnes til ca. 160 l/s med et fald på 3-4 % ved udmundingen. Afstand til søen (højde over havet ca. 80 m, volumen ca. 0,035 km 3 ) er 900 m. 7

8 Børnehjemshytten nederst til venstre i billedet Der er potentiale til et mikrovandkraftværk med en turbine beregnet til et lille fald og stort flow. Idet elven er en fiskeelv med vandring af fjeldørreder er det dog ikke aktuelt at beslaglægge en betydelig del af vandføringen. Afstanden til søen vurderes at være for stor til, at en udnyttelse som reservoir kan komme på tale. Det kunne overvejes at installere et anlæg med middel ydelse (ca. 500 W) til opladning af batterier og lys i hytten. Anlæget kunne eventuelt kombineres med batterier for at kunne tilslutte større strømforbrugere som elkedel mv. Vandkraftpotentialet er middel. Hvis søen brugtes som reservoir ville en kontinuerlig strømforsyning sandsynligvis kunne opretholdes også om vinteren. Dette kræver dog nærmere undersøgelser og er ikke umiddelbart oplagt. Fangerhytten ved Utoqqaat ( ,5 N, ,7 W ) ligger ca. 250 m fra udløbet af en elv til Amerloq-fjorden. Vandføringen skønnes til ca. 120 l/s med et fald på 1-2 % ved udmundingen. Der er ikke nogen sø i nærheden. Vandkraftpotentialet er uinteressant. Bygden Sarfannguit (120 indbyggere) ( N, W ) ligger på en ø ca. 700 m overfor udløbet af en elv til Amerloq-fjorden. Afstanden fra elvens udløb til søen er ca m. Søen ligger 54 m over havet og har en estimeret volumen på 0,0259 km 3. En vandledning på 3200 m længde forsyner bygden med drikkevand. 8

9 En undersøgelse af overløbet fra søen anslår et årligt vandkraftpotentiale på 131,8 MW med en gennemsnitlig ydelse på 15,1 KW. Dette ville være tilstrækkelig til at dække ca. ¼ af Sarfannguits elforbrug (Nielsen and Holm,2008). Bygden Sarfannguit Det er oplagt, at bruge vandkraftpotentialet i forbindelse med bygden, selvom den forholdsvis lange afstand betyder høje etableringsomkostninger. En forholdsvis enkel lav dæmning ved søens udløb kunne øge potentialet betydeligt. Elvens udløb i Amerloq 9

10 Hytten ved Igalassat kunne desværre ikke som planlagt køres ud med pistemaskine og var derfor på vandringens tidspunkt ikke kommet på plads. Den er i mellemtiden blevet fløjet ud med helikopter. En undersøgelse af vandkraftpotentialet anbefales. Eqalugaarniarfik ved Itinneq ( ,9 N, ,8 W ) beliggende ca. 100 m fra Blindelven, som er blevet dæmmet op i forbindelse med udvidelsen af oplandet til Sisimiuts vandkraftværk. Hytten bør flyttes, da der er alt for lang afstand til drikkevand (ca 1500 m til Oles Lakseelv og ca m til dæmningen ved søen). Der er etableret en grusvej, der giver adgang til dæmningen. Hvis hytten flyttes tættere mod sø og dæmning er der et oplagt vandkraftpotentiale, som det ville være nemt at opretholde selv om vinteren. Hytten på højlandet ( ,1 N, ,6 W ) er højt beliggende uden sø eller vandløb i nærheden. Der er ikke noget potentiale for vandkraft. Tuttu (Rensdyrhytten) ( ,5 N, ,8 W ) er højt beliggende med en lille sø 10 m fra hytten. Udløbet fra søen er 400 m fra hytten. Vandkraftpotentialet er uinteressant. Kanocenteret ( ,8 N, ,4 W ) ligger ca. 40 m fra Amitsorsuaq, med udløbet fra søen ca. 4 km væk. Til gengæld ligger der en mindre sø med et estimeret volumen på 0,01 km m sydøst fra centeret med en højdeforskel på ca. 120 m, samt Qeqartalaap Tasia med et skønnet volumen på hele 3,1 km 3, som der kunne skabes forbindelse til igennem en 400 m lang kanal. 10

11 Kanocenteret med Amitsorsuaqs sydlige bred Der er et vandkraftpotentiale som kunne opretholdes året rundt og eventuelt også kunne bruges til opvarmning af centeret. Katiffik (Bryllupshytten) ( ,3 N, ,5 W ) ligger ca. 100m fra en lille elv med vandføring omkring 15 l/s ind i Amitsorsuaq m fra hytten ligger Qarlissuit søen ca. 80 m højere. Der er et vandkraftpotentiale, som på grund af hyttens ringe størrelse dog næppe er attraktivt at udnytte. Bygden Kangerlussuaq (500 indbyggere) ( N, W ) ligger ved siden af smeltevandsfloden Watson River og har Sanningasoq og Aajuitsup Tasia søerne med et skønnet volumen på 1,25 km 3 beliggende i ca. 200 m højde over havet i en afstand af 8 10 km fra bygden. Derudover ligger drikkevandssøen Tasersuatsiaq (Lake Ferguson) med en volumen på ca. 0,6 km 3 i ca. 60 m højde ca. 3 km fra bygden. 11

12 Kangerlussuaq med Watson River i forgrunden og Lake Ferguson i baggrunden Der er et stort vandkraftpotentiale, som det ville være oplagt at udnytte. Ørkenklimaet og siltindholdet i smeltevandsfloden er dog begrænsende faktorer. Hydraulisk teori Hydraulik Hydraulik er læren om fluider. I det følgende afsnit vil de ligninger der er nødvendige for beregningerne blive gennemgået. For at beskrive vands bevægelse er der nogle antagelser der er nødvendige, så som bevarelse af masse/volumen, energibevarelse og kraftbalance, derud over er det også nødvendigt at være klar over at tryk i vand stiger lineært (hydrostatisk trykfordeling). Bernoullis ligning For hydrostatisk trykfordeling gælder det at: Og må derfor gælde at: ; (hvor p er trykket, γ er rumvægten og h er højden) ; (hvor z er kotehøjden) Bernoullis ligning siger at: ; (hvor u er hastigheden) Denne ligning gælder kun langs en stationær strømlinie, hvor der ikke sker noget energitab. Betegnelser: 12

13 z = geometrisk højde = trykhøjde = hastighedshøjde Leddet med hastighed beskriver den kinetiske energi i strømlinien, mens ledet med tryk og højde beskriver den potentielle energi. Ud fra denne betragtning kan man se at nå hastigheden i en given strømlinie falder, så må trykket stige, da der gælder energibevarelse, og omvendt, stiger hastigheden må trykket falde. Energiligningen Energiligningen er egentligt en udvidelse af Bernoullis ligning. hvor U er middelhastigheden, α er hastighedsfordelingskoefficienten, ΔH p er evt. tilført energi og ΔH t er energitabet. Middelhastighed Ud fra vandføringen (flow) defineres middelhastigheden U over en flade som forholdet mellem fladens vandføring og areal. ; (hvor Q er vandføring og A er arealet) Hastighedsfordelingskoefficienten Som et lad af energiligningen, finder vi hastighedsfordelingskoefficienten, formlen indeholder integralet af hastigheden i tredje potens da er lig med for et snit lagt vinkelret på en parallelstrømning. Integralet kan omformes ved introduktionen af en dimensionsløs hastighedsfordelingsfaktor defineret ved, I åbne kanaler og rør hvor energitabet er forholdsvis lille, kan α sættes til 1,10 1 Energiliniens gradient Den hyppigste anvendelse af rørformlerne (red , Colebrooks formel) sker til bestemmelse af energiliniens gradient S = energitabet pr. længdeenhed rør, idet beregninger på rørsystemet kræver energitabet bestemt for hver ledningskomponent for sig. Med konstant rørtværsnit vil der på en overgangsstrækning indstille sig en ensformig strømning med konstant energiliniegradient S. Dette forårsager på stræningslængden l i et energitab, som lyder, 1 B. Howald Petersen, Hydraulik Stationære strømninger 13

14 For at finde energiliniens gradient S, kan man bruge tre forskellige formler som nævnt før i Colebrooks formel, en for glatte rør, for ru rør og for alle rør, i vores tilfælde har vi valgt at bruge formlen for ru rør, derfor lyder formlen For ru rør er højresiden uafhængig af S, så S er eksplicit bestemt. I dette tilfælde er S proportionel med middelhastighedens kvadrat. I de andre to ligninger er tilfældet også at S ligger på højresiden, og der kræves derfor iteration til bestemmelse af S, men konvergensen er god, der kræves normalt at have flere end én gennemregninger. Colebrooks formel Colebrooks formel er en kombination af to formler formuleret til en enkelt formel, nemlig formlerne for ru og glatte rør, derved kan formlen bruges til alle rør uanset glat eller ruhed. Colebrooks formel lyder, Reynolds Tal Situationen med turbulens opståen er et fysisk fænomen og kan ikke afhænge af vore selvvalgte enheder. Derfor må den kunne beskrives ved et dimensionsløst udtryk indeholdende de nævnte relevante parametre. Det er kun muligt at danne følgende dimensionsløse kombinationer, der betegner Reynolds tal, Re Karman Tal For at analysere Colebrooks formel lidt nærmere, defineres Karmans tal Ka som forholdet mellem logaritmens sidste led (fra ruheden) og første led (fra viskositeten). Derfor lyder Karmans tal Tab i knæk, bøjning og indsnævring Når et vandrør bøjer vil vandet i røret danne et overtryk langs den ydre rørvæg på grund af centrifugalkraften. Når røret så bliver retlinet igen vil vandet genoprette sin normale hastighedsprofil, men ændring har medført et enkelttab der vil afhænge af bøjningsvinklen φ, bøjningens radius r og tværsnittets diameter d For bøjningsvinkler op til 180 gælder: 14

15 For et rørknæk med vinklen φ forskydes hastighedsmaksimum og der sker separation ved rørindervæggen for alle værdier af knækvinklen. Modstandstallet bliver her: Hvis røret snævre ind til en mindre diameter vil der ske et energitab i udvidelsen efter kontraktionen og kan beskrives ved Weisbachs formel: Dog skal det siges at hvis indløbet afrundes tilstrækkeligt, så væsken kan følge rørvæggen uden at kontrahere, vil det gennemløbe næsten uden energitab 2 Strømning i rørbøjning (tv) og rørknæk (th) Vandturbiner Vandturbinen er den del af processen hvor vandets potentielle energi omsættes til kinetisk energi, hvor efter en generator kan omsætte den kinetiske energi til elektricitet. For en turbine vil generelt gælde at effekten vil være hvor: P = effekt [watt] = turbinens virkningsgrad = vandets rumvægt [ ] q = vandføring [l/s] h = faldhøjde [m] 2 Hydraulik, stationære strømninger, B. Howald Petersen, side

16 Vandturbiner kan deles op i to hovedgrupper, hvor der skelnes mellem impuls- og reaktionsturbiner. Impulsturbine I en impulsturbine, også kaldet aktionsturbine, skydes en eller flere vandstråler direkte på turbinens skovle som. Vandstrålen får dermed turbineskovlene til at dreje rundt og vandets kinetiske energi bliver overført til turbinen. Virkningen af flere stråler stiger kvadratisk, det vil sige at for at fordoble effekten af en vandstråle skal der bruges 4 tilsvarende vandstråler. For at beskrive hvad der sker i energioverførslen i en impulsturbine må vi benytte os af Newtons 2. lov: "En resulterende kraft er lig ændringen i et legemes impuls." Aktionsturbiner bruges oftest i forbindelse med høje faldhøjder (>300m). Af kendte typer impulsturbiner kan nævnes Pelton og Turgo Figuren illustrerer hvordan impuls- og reaktionsturbiner virker httpupload.wikimedia.orgwikipediacommonsbb5turbi nes_impulse_v_reaction.png Reaktionsturbine I en reaktionsturbine mister vandet sit tryk, og dermed sin potentielle energi, mens det bevæger sig gennem turbinen og afgiver derved sin energi. Der kræves altså at turbinen er indkapslet for at holde på vandstrømmen, hvilket kan medføre en højere pris i forhold til impulsturbinen. Turbinen vil være placeret mellem vandkilden under højt tryk og udledningen under lavt tryk. Kraftoverførslen kan i dette tilfælde beskrives ved Newtons 3. lov: "Et legeme der påvirker et andet legeme med en kraft, vil blive påvirket med en lige stor modsat rettet kraft." De fleste vandturbiner i brug er reaktionsturbiner og bruges ved lav (<30m) og medium (30-300m) faldhøjde. Af kendte reaktionsturbiner kan nævnes Francis og Kaplan. 16

17 Opsætning og afprøvning Turbinen DTU havde stillet to forskellige turbiner til rådighed, nemlig MHG-500HH (500 Watt) og MHG T- 2 (2kW). Vores valg faldt på MHG-500HH dels på grund af den større mobilitet denne turbine gav, da vægten er på 36 kg, hvor MHG T-2 vejede 125 kg, og dels fordi vi mener at de 500 Watt bedre egner sig til vores projekt om vandkraft til turisthytter, der kun benyttes et begrænset antal dage om året. MHG-500HH er en Turgo turbine der er klassificeret til en faldhøjde på 7-11 meter, vandføring på 7,4-9,1 liter pr. sekund, producerer 500 watt og koster 2883 Kr. Med MHG-500HH følger: 1 x generator/turbine 1 x mundstykke 1 x ELC (Electronic load controller) 1 x varmelegeme Der ud over var der to slanger at vælge imellem, en slange med diameter på 76mm og en med diameter på 125mm. Manualen der fulgte med beskrev et minimum krav til slangens diameter 76mm, så vi valgte at tage lille af slangerne med i felten, igen på grund af mobiliteten. Figur 1 viser sammenhængen mellem trykhøjde og vandføring for MHG- 500HH turbinen Elektriske System Vi har opbygget det elektriske system ved at lade to separate kredsløb gå ud fra generatoren. Det ene kredsløb består af en ELC (Electric Load Controller) som er forbundet til generatoren. ELC en sørger for en konstant spænding på 220 V og 50 Hz. I forlængelse sidder en dummy load, der er et varmelegeme der kan tage overskudsstrøm, så hvis man for eksempel har et apparat der bruger 300 Watt vil dummy load en bruge de resterende 200 Watt. I det andet kredsløb føres strømmen til det apparat der bruges, i vores tilfælde afprøvede vi forskellige forbrugere, så som 150 Watt pære, 500 Watt pære, boremaskine W og en elkedel på Watt. Felten Vi besluttede os til at sætte turbinen op ved en elv nær Sisimiut lufthavn ( N, W) hvor der var et stykke med en stor hældning. 17

18 Vi stilede efter et anbefalet flow på 7-9 m/s ved en faldhøjde på 11 m, som anbefalet af turbineproducenten for at nå en topydelse på 520 watt. Vi opnåede 10,5 m vandsøjle efter slangen var afkortet og var nu klar til at producere strøm. Indledningsvis blev den rette faldhøjde bestemt og slangen afkortet herefter. Første testkørsler viste en for lav vandføring. Derfor blev slangen flyttet højere op, for at genvinde nogle højdemeter og opnåede herefter et tryk på 13,5 meter vandsøjle. Billede 1 viser vores valg af sted til opsætning af turbinen Indsugningssien blev ligeledes afmonteret, for at øge vandføringen. Under testkørslerne ved rykning af slangen faldt ELC-enheden i en vandpyt og kunne ikke bruges længere. Den blev erstattet med en i håndtaget justerbar boremaskine, som krævede en effekt mellem ca W. Dette krævede løbende manuel justering efter turbineydelsen, hvilket er årsag til svingende spændinger under forsøgene. De første fem forsøg blev gennemført med gentagne målinger af strømstyrke og spænding. Fra forsøg til forsøg blev vandføringen forsøgt optimeret ved at justere slangen. I forsøg 1-3 blev lunker i slangen fjernet, under forsøg 3-5 blev skarpe knæk fjernet. Hertil blev slangen lagt ud på velegnet svagt buet terræn og der blev brugt snore fastgjort til stabiliserende kloakrør. Ved tryktab kollapsede slangen hurtig og begrænsede vandføringen med det samme. For at forøge trykket ved indløbet, blev der bygget en dæmning, som førte til en vandstandshævning på 0,5 m. (se billede nr. 2) De sidste to forsøg blev gennemført med dette indsugningsmagasin. Billede 2 viser dæmningen der blev bygget for at forøge vandstanden 18

19 Beregninger og resultater Under vores indsamling af målinger er der tre grupper der adskiller sig fra hinanden. Den første er forsøg 2 og 3, som har det laveste effekt, den næste er forsøg 1, 4 og 5 som ligger i midten og det sidste er det forsøg 6, som blev fortaget den sidste dag, efter vi havde opdæmmet dammen, og dermed øget trykket ved indløbet. Volt Ampere (10xampere) watt vandføring (m 3 /s) radius (meter) hastighed (m/s) Forsøg 2 og 3 205,4 0, ,7-0,038 - Forsøg 1, 4 og 5 211,4 0, ,4 0,0035 0,038 0,77 Forsøg 6 257,2 0, ,7 0,0049 0,038 1,08 Tab af tryk Til at beregne tab af trykket i slangen benyttes Bernoullis: For at benytte denne ligning er der nogle af værdierne der skal beregnes først. Vi vel dele det op i to, da vandføringen er steget i forsøg 6 Trykket ved turbinen er givet ved P = ρ g h Z1 = 13,5 m P1 = 0 (atm tryk) U1 = 0 (går ud fra at vandet ligger stille i dammen) Z2 = 0 P2 = 122,750 kpa U2 = 0,77 m/s Tabet i røret for forsøg 1-5 vil da være Og den teoretiske effekt vil være 19

20 Friktionstab Friktionstabet kan findes ved Hvor S er energiligningens gradient og l er længden på røret For et ru rør gælder det at Her indføres D som er den hydrauliske diameter og bestemmes ved Med denne definition bliver D lig med den geometriske diameter d Og S er da Hvilket vil sige at pr. meter slange er der et tab på 0,013 meter vandsøjle fra væg-friktionen. Enkelttab i bøjninger og indsnævringer I vores design vil der fremkomme en enkelt indsnævring hvor røret føres til turbinen, og vandet strømmer igennem dyssen. Denne dysse er dog udformet som en kegle, hvilet vil betyde at indsnævringen vil ske uden nogen nævneværdig enkelttab. Grundet vores bløde slange fremkommer der en hel del bløde bøjninger, og alle disse ville nærmest være en umulig opgave at beregne, da slangen snor sig konstant. Dog har der været nogle steder hvor slangen har haft en ekstra stor bøjning, som f.eks. ved indtaget ved turbinen, hvor der har været en bøjningsvinkel tæt på 45. Vi vil beregne denne ene bøjning, for at få et samlet overblik over hvor meget energitab man kan forvente at se som følge af en 45 bøjning, og dermed hvor meget der skal gøres ud af at undgå disse i evt. fremtidige opsætninger. Som tidligere beskrevet i teoriafsnittet gælder der for en bøjning at enkelttabet vil være Vi skønner at h ru er 0,5mm og ligningen vi skal benytte bliver da Hvor φ = 45 d = 0.076m r = 1m (en lidt grov tilnærmelse) U = 0,77 m/s 20

21 Enkelttab dette sted bliver da Konklusion Resultat behandling Som det ses af vores resultater er de meget svingene. Dette skyldes flere ting, dels havde vi mistet vores ELC til en vandpyt, og vi skulle derfor selv forsøge at ramme de 220 volt ved at justere forbrug og vandføring, men vi havde også problemer med at holde slangen åben i toppen, hvor vi flere gange oplevede at den kollapsede og dermed spærrede for vandtilførslen, hvilket så resulterede i et drastisk fald i trykket. Forsøg 2 og 3 afspejler også vores første placering af indløbet. Her havde vi lagt det nær overfladen i en strømning, hvor der blev suget luft med ind, og dermed havde vi kun en vandføring på mellem 2-3 l/s og, som der kan ses i beregningerne, en effekt på 123,67 watt. Forsøg 4 og 5, og til dels også vores første forsøg 1 (tror de pæne resultater her kan skyldes at vores ELC stadig var i live), viser en lille stigning i effekten til 255,41 watt. Her havde vi lagt vores indløb ned i dybere og roligere vand, som dermed hævede vandføring til næsten 4 l/s. Forsøg 6, vores sidste forsøg, blev yderligere optimeret med en dæmning, hvor vi hævede vandet i den lille dam med omkring en halv meter. Dette hjalp lidt på vores problem med at få slangen til at holde formen, og vores vandføring kom helt op på næsten 5 l/s. (Alle vandføringsmålinger har en vis usikkerhed, da turbinen slyngede en lille del af vandet væk fra karet). Som det kan ses på effekten er den her også oppe på 452 watt i en lille periode, og vi må formode at vandføringen har været endnu højere end 5 l/s for at opnå dette. I de første 5 forsøg endte vi med et tab i slangen på ca. 1 meter vandsøjle, hvilket også svarede til hvad vi kunne aflæse på trykmåleren når vi åbnede op for vandet til turbinen. Den teoretiske effekt for disse fem forsøg ligger på 240 watt. Dette opnåede vi i forsøg 4 og 5, men ikke i forsøg 2 og 3. Det kan forklares ved at vi hele tiden blev nød til at rette på slangen, da den kollapsede relativt ofte, og vores flowmålinger blev taget umiddelbart efter vores målinger på forsøg 4 og 5. Det kan derfor tænkes at vandføringen har været mindre under forsøg 2 og 3. I det sidste forsøg, forsøg 6, blev tabet på 3,44 meter vandsøjle. I bilaget data fra vandturbine kan der ses at vi har målt et fald på 4 meter vandsøjle når vi åbnede for turbinen. Med aflæsningsusikkerheden taget i betragtning må det siges at være acceptabelt. Den teoretiske effekt ligger her på 337,8 watt, mens den målte ligger på 452,67. Igen må forklaringen ligge i målingerne af vandtilførslen. Som det kan ses i bilaget data fra vandturbine er der udført yderligere et forsøg 7, som blev fortaget umiddelbart efter forsøg 6. I forsøg 7 faldet effekten helt ned til 97,74 watt, og vandføringsmålingerne er taget imellem forsøg 6 og 7. Vi tror derfor at forklaringen på 21

22 afvigelserne fra den teoretiske og den målte effekt, og igen skyldes problemer med vores bløde slange. Friktionstab fra rør-væggen ligger i forsøg 1 til 5 på 0,013 meter vandsøjle pr. meter slange. Da vores slange er 44 meter lang vil dette give et samlet friktionstab fra rør-væggen på 0,572 meter vandsøjle. Dette stemmer ikke helt overens med vores beregning med Bernoullis ligning, eller med måling af trykmåleren hvor vi nærmer os et fald på 1 meter vandsøjle. En del af det resterende kan tillægges knæk på slangen, som vi ikke kunne undgå helt. Der ud over var der også et større antal bøjninger, som kan havde tilføjet yderligere end smule (Dog har dette ikke den store betydning). Til sidst har vi haft en lille mistanke om at der nogle gange kunne gemme sig små luftlommer i slangen, når den har slået en vertikal bue. Vi foretog også en måling på en bue der udgik fra mundingen ved turbinen på ca. 45, for at få et overblik over hvor meget sådan et knæk egentlig betyder for det samlede tab i slangen. At måle på samtlige bøjningerne i slangen ville nærmest være en umulighed, for det første fordi der var så mange buer, og for det andet så ville bue radius være urimelig stor på mange af buerne. I forsøg 1-5 kom vi frem til et tab på 0,0018m, mens vi i forsøg 6 havde et tab på 0,0036m. Stigningen i tabet skyldes den øgede hastighed. Dette vil altså sige at, i den største bue vi kunne finde på vores slange vil vandet miste mellem 1,8 og 3,6mm vandsøjletryk, hvilket må siges at være ubetydeligt. Dette kom en del bag på os, nu hvor vi havde brugt så meget tid på at undgå netop disse bøjninger. Transport Som udgangspunkt for projektet skulle vi afprøve dueligheden af mikrovandkraftinstallationer til jagt-/ turisthytter. Vi gik her ud fra en nem tilgængelighed for transport af turbine med udstyr ad vandvejen. Mindre installationer op til 500 W kunne til nøds transporteres i rygsæk og på denne måde opsættes i sommerhalvåret. Transportproblemet ved tunge større anlæg på svært tilgængelige steder som for eksempel kanocenteret kan løses ved hjælp af scootere / hundeslæder eller eventuelt pistemaskine. Vandføring En nøjagtig bestemmelse af den til rådighed værende vandføring er altafgørende for projektets succes og skal helst foretages over en flerårig periode især ved anlæg, der har en intention om at udnytte en stor del af vandføringen. Efter bestemmelse af vandføring og til rådighed værende højdeforskel kan en velegnet turbinetype forholdsvis nemt udpeges. Dimensionering af slangen skal ske til den sikre side for at garantere en tilstrækkelig vandføring også ved mindre optimale forhold. Rørføring Valg af placering og udlægning af rørføring / slange skal ske med omhu. En konstant vandføring kan kun opnås, hvis knæk og lunker undgåes. Især indvindingsbassinet skal være tilstrækkelig stor 22

23 og dyb for at forhindre indsugning af luft. Indsugningsåbningen skal være sikret med en rist for at forhindre fremmedlegemer i rørføringen og turbinen. Lunker skal undgås ved en stabil opklodsning eller tøjring. Turbin opklodsningen skal udføres robust og give god plads, så vandet kan komme væk. Ved større anlæg anbefales en forankring til fjeld samt fastgørelse af rør / slange for at undgå slag ( kick ). Ved rørinstallation er en trykudligning i toppen af røret i form af et luftindtag nødvendigt, hvilket ikke er nødvendigt ved fleksible slanger. Efter vores erfaringer med en fleksibel slange, der har nem ved at kollapse, anbefaler vi en rørføring med robuste, faste og glatte rør i hvert fald til sommerdrift. Vinterdrift Den fleksible slanges frosttolerance er selvfølgelig en fordel ved vinterdrift. Ved daglig tilsyn og vedligehold af anlægget bør friktionen fra vandet dog være en tilstrækkelig frostsikring også i rørføringer, der er sårbare for frostsprængninger. Et lille lag isolering ville give ekstra driftssikkerhed. Vinterdrift forudsætter under alle omstændigheder et betydeligt reservoir, i praksis en større sø med en vanddybde på min. 2 meter, således at vandindtaget kan placeres i frostfrit dybde. Vinterdrift ville hurtigt gøre enhvert anlæg rentabelt, da det største energibehov er til opvarmning og madlavning. Her bliver det også for alvor interessant at kombinere energiindvindingen med energilagring i form af et varmelager i sand under bygningen, i (frostsikrede) batterier, eller eventuell i form af brint. Elektrisk installation Den elektriske installation volder ikke store problemer udover, at beliggenheden af forbrugeren helst skal være under 100 m fra turbinen, hvis tab af energi til ledningen skal holdes nede. Ved større anlæg og længere afstande bør en omformning til højere spænding overvejes. Ved mindre anlæg kan tabet holdes nede ved at vælge en større ledningsdiameter, hvilket desværre også gør anlægget dyrere. En optimering af afstanden fra turbine / generator til forbrugeren er derfor afgørende for projektets økonomi. Efter vores bedste overbevisning er behovet for el i hytterne begrænset og ville først og fremmest gavne i form af opladningsmulighed til kommunikationsudstyr og kameraer. Til dette formål ville mindre anlæg på 200 W være velegnet og nem at have at gøre med for vekslende sporadiske turister og jægere.behovet for belysning om sommeren er begrænset. Større anlæg kunne dog også være af interesse om sommeren især i de større hytter til madlavningsformål. En vinterdrift ville være ønskelig med en højere ydelse, da energibehovet til opvarmning er klart det største. Men kræver større viden og gør-det-selv-evner, derfor anbefaler vi denne kun i forbindelse med bemandede hytter eller hvor uddannet personale kan vedligeholde anlægget. Sommerhusejere er en oplagt målgruppe for mikrovandkraft, hvorfor vi har valgt at udforme en brochure med dem som målgruppe. 23

24 Referencer Literatur Hydraulik stationære strømninger, B. Howald Petersen, 2006 Feasability Study for small scale Hydropower in Sarfannguaq, Nielsen og Holm, 2008 High Head Micro Hydro Electric Generator, Power Pal, 2008 Internet Bilag Data fra vandturbine Forsøg nr. Tryk (i meter vandsøjle) Volt Ampere (Målt i 10Xampere) Watt 1 13, , ,21 445, , , , ,09 202, ,07 144, , , ,07 140, ,07 137, ,07 133, ,08 146,4 12, ,08 152, , ,06 121, , , ,06 115, , ,09 201,6 24

25 210 0, ,08 162, ,09 200,7 12, , , , , , ,04 85, ,04 84, ,03 65, ,06 133, ,06 123, , , ,04 88, ,04 87, ,05 103, , , , ,04 83, , ,05 105, ,06 129, ,08 178, , ,04 88, ,04 85, ,02 40,8 Der skryges op for vandføringen, og trykket falder hurtigt mod ,05 56, ,04 58, , , , ,11 302, , ,

26 , , , , , ,5 12, , , , , ,11 248,6 13, , , ,11 247, ,11 245, , , ,11 244,2 13, ,11 244,2 Der skrues op for vandføringen 13, ,12 261, ,11 226, , , ,11 226, ,12 230, ,12 236, ,12 250, ,12 273,6 7, ,14 242, ,05 56,5 6 13, ,14 305, , , , , , , ,05 26

27 , , ,05 Gennemsnit Volt Ampere (10xampere) watt vandføring (l/s) r hastiged (m/s) Forsøg 2 og 3 205,449 0, ,6 3,48 0,038 0,77 Forsøg 1, 4 og 5 211,431 0, ,4 3,48 0,038 0,77 Forsøg 6 257,2 0, ,6 4, 0,038 1,07 Vandføring ved 220 volt tid i sek Mængde vand opsamlet i liter Vandføring (l/s) v1 24,3 64 2,63 v2 20,1 60 2,98 v ,83 til forsøg 6 og 7 v4 18,1 90 4,97 v5 18,8 90 4,79 Priseksempler på mikrovandkraftværker PowerPal Products Valid only for May, 2008 Product Code Item Gross volume Head (H) Flow rate (Q) Output Price (cubic metres) (metres) (litres/sec) (watts) (USD) MHG 200LH 200w Low Head m 35 l/s 200w $ water heater dump MHG 500LH 500w Low Head m 70l/s 500w $ water heater dump MHG 500LH 500w Low Head m 70l/s 500w $ air heater dump MHG 1000LH 1000w Low Head m 130l/s 1000w $ air heater dump ICDT w canal and $ pipe ICDT w canal and $ pipe ICDT w canal and $ pipe MHG 200HH 200w High Head m l/s w $ MHG 500HH 500w High Head m l/s w $ water heater dump MHG 500HH 500w High Head m l/s w $ air heater dump MHG T-1 1.0kW double m l/sec w 1,740.00$ (1.0kW) valve turgo MHG T-2 1.5kW single m l/s w 2,220.00$ (1.5kW) valve turgo MHG T-2 (2kW) 2.0kW single m l/s w 2,290.00$ valve turgo MHG T-2H 2.0kW single m 8-13 l/s w 2,355.00$ 27

28 (2kW) valve turgo MHG T-2 (3kW) 3.0kW single m l/s w turbine only valve turgo MHG T-2 (4kW) 4.0kW single m l/s w turbine only valve turgo MHG T-5 (2kW) 2.0kW double m l/s w 2,555.00$ valve turgo MHG T-5 (3kW) 3.0kW double m l/s w turbine only valve turgo MHG T-5 (4kW) 4.0kW double m l/s w turbine only valve turgo MHG T-8 Single valve turgo m l/s turbines only on request turbine MHG T-16 Double valve m l/s turbines only on request turgo turbine MSG (Open flume) Turbines only up to 25kW on request MSG (Forced pipe) Trubines only up to 25kW on request CF2 Series up to 5kW on request NOTES (1) Only LH and HH models are available in 110v and 50-65Hz. All others ONLY in 220v and 50hz (2) Prices are EXW Hanoi, Vietnam. Freight quotes are available on request. (3) For seafreight, individual packing cartons are placed in custom-built wooden crates 28

29 Fysiske konstanter Grønlands vandkraftværker Buksefjordsværket Det første vandkraftværk blev taget i brug i Det ligger i Buksefjorden nær Nuuk og er indtil videre Grønlands største vandkraftværk. Værket forsyner hovedstaden Nuuk med elektricitet til både elforsyning og opvarmning. 3/4 af Buksefjordsværkets produktion går til varme. Elforsyningen i Nuuk stammer 100 procent fra vandkraft. Smeltevandet fra bunden af Kang reservoiret går i tunnelrør på samlet 14 kilometer ned og driver tre 15 MW turbiner. Den samlede elproduktion fra Buksefjorden var i 2008 på 192 GWh årligt, 29

30 hvoraf 122 GWh gik til varmeforsyningen i Nuuk. Den årlige produktion forventes dog at stige markant, siden den tredje turbine blev færdiginstalleret i efteråret Udgifterne ved opførslen af værket var en milliard danske kroner den største investering i Grønland nogensinde. Til gengæld er driftsomkostningerne minimeret, levetiden er lang, og vandkraften har erstattet et forbrug på mindst 20 mio. liter olie årligt hvilket svarer til knap en tredjedel af energiselskabet Nukissiorfiits forbrug af olie i Grønland. Værket ved Tasiilaq Vandkraftværket ved Tasiilaq i Østgrønland blev taget i brug i december 2004 og officielt indviet i foråret Værket, som har en effekt på 1,2 MW, forsyner Tasiilaq med elektricitet til elforsyning. Kapaciteten er ikke stor nok til opvarmningsformål. Prisen for værket var 59 mio. kr, men da det gamle elværk var nedslidt, og investeringen forventes at forrente sig efter et rimeligt antal år, valgte politikerne at forsyne de 1852 indbyggere med vandkraft. Qolortosuaq-værket Vandkraftværket i Qolortorsuaq i Sydgrønland blev taget i brug i år Det forsyner byerne Qaqortoq og Narsaq. Derved er vandkraftværket i Qolortorsuaq det første vandkraftværk i Grønland, der forsyner flere byer. Det betyder el til i alt ca indbyggere. Værkets to turbiner yder tilsammen en effekt på 7,2 MW og forsyner byernes cirka 5000 indbyggere med elektricitet. Qaqortoq forsynes også med elektricitet til opvarmningsformål, hvilket der ikke er kapacitet til for Narsaqs vedkommende. Værket ved Sisimiut Et fjerde vandkraftværk er under opførsel udenfor Sisimiut i Vestgrønland. Værket skal efter planen stå færdigt ultimo 2009, og producere miljørigtig energi til byen i løbet af det første kvartal år Vandkraftværket udnytter højdeforskellen mellem søen Tasersuaq, 78 meter over havets overflade, og Kangerluarsuk Ungalleq (Andenfjorden) ved havets overflade. Vandet fra Tasersuaq føres gennem en 4,7 km lang, sprængt tunnel i fjeldet Ungalliup Qaqqai frem til vandkraftværket. Værket vil få to turbiner med effekt på hver 7,5 MW og forventes at kunne levere 54 GWh pr. år. Elektriciteten føres fra værket via en 27,4 km lang transmissionslinie til Sisimiut. Da 54 GW/h pr. år er dobbelt så meget som byens nuværende elforbrug, skal både eksisterende dele af det eksisterende fjernvarmenet og enkelte eksisterende offentlige varmecentraler omlægges til elvarme. 30