Celem projektu jest budowa modelu systemu elektroenergetycznego z turbiną wodną jako źródłem energii oraz instalacją symulującą odbiorców. Zasymulowano także działanie układu zdolnego do synchronizacji z Krajowym Systemem Elektroenergetycznym (KSE), co pozwala na przekazywanie wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci krajowej, analogicznie do rzeczywistych bloków energetycznych. Największym wyzwaniem było zapewnienie odpowiednich parametrów energii elektrycznej zgodnych z wymaganiami KSE.
Model w założeniu umożliwia również pracę prądnicy w trybie silnikowym, zamieniając energię elektryczną na mechaniczną, co pozwala na napędzanie turbiny wodnej. Dzięki temu można w prosty sposób wyjaśnić i zademonstrować procesy regulacji mocy w systemie elektroenergetycznym, rolę częstotliwości oraz procedurę synchronizacji generatora z siecią.
Projekt ma szczególne znaczenie edukacyjne. Jego efektowna praca sprawia, że układ jest atrakcyjnym eksponatem na pokazach, warsztatach i piknikach naukowych, gdzie poruszany jest również wątek różnych typów elektrowni wodnych.
Założenia projektu
Turbina wodna
Projekt zakłada wykorzystanie turbiny akcyjnej Peltona o osi poziomej, która jest szczególnie odpowiednia do pracy przy dużych spadkach wody (wysokie ciśnienie) i małych przepływach. Takie warunki można zasymulować w laboratorium przez zastosowanie pompy i układu zamkniętego. Konstrukcja turbiny została zaprojektowana w programie CAD, a następnie wykonana w technologii druku 3D. W celu zwiększenia trwałości i niezawodności modelu kluczowe części konstrukcji narażone na naprężenia zostały dodatkowo wzmocnione elementami metalowymi. Łopatki (czasze) turbiny są wymienne, co pozwala na łatwą modyfikację geometrii w celach badawczych lub edukacyjnych. Całość została obudowana transparentna osłoną ze szkła akrylowego, co pozwala obserwować pracę turbiny w czasie rzeczywistym – jest to cenne szczególnie w kontekście demonstracji i edukacji. Wszystkie części są modułowe i łatwe do demontażu, co ułatwia serwis i adaptację układu.
Wał i sprzęgło
Wirnik turbiny jest zamontowany na wale stalowym, który przekazuje moment obrotowy do prądnicy. Wał został łożyskowany z obu stron, co zapewnia jego stabilną pracę, ograniczenie drgań oraz zmniejszenie oporów toczenia. Do połączenia wału turbiny z wałem prądnicy zastosowano gumowe, elastyczne sprzęgło, które kompensuje niewielkie niewspółosiowości pomiędzy wałami turbiny i prądnicy mogące pojawić się przy ręcznym montażu, tłumi drgania przenoszone między wałami, zwiększając komfort pracy układu i chroniąc elementy przed nadmiernym zużyciem, a także redukuje udary mechaniczne, które mogą występować przy nagłej zmianie obciążenia lub w czasie włączania/wyłączania układu.
PRĄDNICA
Do konwersji energii mechanicznej turbiny na energię elektryczną wykorzystano zmodyfikowany silnik elektryczny pracujący jako prądnica. Celem było osiągnięcie parametrów energii elektrycznej zgodnych z siecią KSE, tj. napięcia 230 V i częstotliwości 50 Hz. Synchronizacja prądnicy z siecią wymaga precyzyjnego sterowania prędkością obrotową oraz znajomości procedury synchronizacji (dopasowanie napięcia, częstotliwości i fazy).
Układ hydrauliczny
Obieg wody działa w zamkniętym układzie, co zapewnia powtarzalność eksperymentów i niezależność od warunków zewnętrznych. Woda zasysana jest przez pompę ze zbiornika stanowiącego dolną część obudowy wirnika. Następnie jest tłoczona do układu rurociągów, w którym znajdują się elastyczny przewód ułatwiający montaż i zmniejszający drgania przenoszone z pompy, zawór regulacyjny umożliwiający ręczną kontrolę przepływu wody, a tym samym sterowanie mocą dostarczaną do turbiny, oraz dyszę przekształcającą ciśnienie wody w skoncentrowany strumień o dużej prędkości, który kierowany jest bezpośrednio na łopatki turbiny Peltona. Prędkość strumienia ma kluczowe znaczenie dla efektywności przekazywania energii do wirnika. Następnie woda wypływająca z dyszy uderza w czasze łopatek wirnika, oddając swoją energię kinetyczną i wprawiając turbinę w ruch obrotowy. Po opuszczeniu turbiny woda swobodnie spływa z powrotem do zbiornika, skąd cykl rozpoczyna się na nowo.
Układ pomiarowy
Układ pomiarowy odgrywa kluczową rolę w obserwacji i analizie działania całego systemu. Pozwala na bieżące monitorowanie parametrów zarówno po stronie zasilania pompy, jak i po stronie wyjścia energii z generatora. Dzięki temu możliwe jest dokładne śledzenie zależności między przepływem wody, obciążeniem a generowaną mocą. Po stronie zasilania pompy rejestrowane jest napięcie, prąd elektryczny, moc oraz zużycie energii przez pompę. Dodatkowo układ wyposażony jest w manometry, które umożliwiają pomiar ciśnienia na wejściu i wyjściu z pompy, a także wyznaczenie charakterystyki pompy (zależności między ciśnieniem a przepływem) oraz ogólnej charakterystyki hydraulicznej całego układu. Po stronie wyjścia z generatora do analizy sygnału elektrycznego zastosowano oscyloskop, który umożliwia obserwację przebiegu napięcia w czasie rzeczywistym, analizę jego kształtu, częstotliwości oraz jakości synchronizacji. Dodatkowo zainstalowano watomierz i multimetry, które mierzą napięcie, prąd oraz moc wyjściową. Obciążenie stanowi tradycyjna żarówka z żarnikiem wolframowym, która nie tylko działa jako odbiornik mocy, ale również intuicyjnie sygnalizuje poziom generowanej energii, gdyż jej jasność zmienia się w zależności od mocy dostarczanej przez turbinę. Przy ograniczeniu przepływu wody (dławienie przepływu za pomocą zaworu), moc turbiny spada, co widoczne jest jako przygaszenie żarówki. Zwiększenie przepływu powoduje wzrost mocy wyjściowej, a żarówka świeci jaśniej. Taki układ pomiarowy pozwala zrozumieć nie tylko mechanikę przepływu, ale też zasady działania prostych systemów elektroenergetycznych i sterowania mocą.
KONSTRUKCJA NOŚNA
Wszystkie elementy systemu – turbina, wał, prądnica, układ wodny i pomiarowy – zostały osadzone na solidnej, przemyślanej konstrukcji nośnej, która zapewnia stabilność, wygodę użytkowania oraz łatwość transportu. Główna rama nośna została wykonana z profili stalowych, kątowników i płaskowników, które zostały trwale połączone metodą spawania, co zapewnia dużą sztywność i wytrzymałość konstrukcji. Pozostałe elementy układu, takie jak pompy, zbiorniki, osprzęt hydrauliczny czy układ pomiarowy, zostały do ramy przykręcone śrubowo, co umożliwia ich łatwy demontaż w celach konserwacyjnych, transportowych lub modernizacyjnych. Cały system został osadzony na kołach jezdnych posiadających hamulce, co ułatwia przemieszczanie eksponatu po pomieszczeniach laboratoryjnych, salach dydaktycznych czy stoiskach wystawowych oraz zapewnia stabilność w czasie pracy. Dzięki kompaktowym wymiarom oraz estetycznemu i przemyślanemu rozmieszczeniu elementów, układ stanowi wartościowy eksponat edukacyjno-wystawowy. Transparentna obudowa turbiny oraz widoczne połączenia mechaniczne i hydrauliczne ułatwiają obserwację działania całego systemu. Zestaw idealnie sprawdza się jako mobilna pomoc dydaktyczna i narzędzie demonstracyjne na piknikach naukowych, targach edukacyjnych czy dniach otwartych uczelni, prezentując w przystępny sposób zasady przetwarzania energii wodnej na elektryczną.
EKSPERYMENTY DO PRZEPROWADZENIA NA MODELU
Model turbiny Peltona zintegrowany z układem hydraulicznym i elektrycznym umożliwia przeprowadzenie szeregu eksperymentów dydaktycznych i demonstracyjnych. Dzięki przejrzystej budowie i dostępnym przyrządom pomiarowym, użytkownicy mogą w bezpośredni sposób zaobserwować zjawiska fizyczne związane z przetwarzaniem energii.
1. Symulacja obciążenia turbiny
Po rozpędzeniu turbiny do odpowiedniej prędkości, układ można obciążyć poprzez włączenie żarówki z żarnikiem wolframowym. Jasność żarówki zmienia się w zależności od generowanej mocy – gdy przepływ wody przez dyszę jest ograniczony, żarówka świeci słabiej, natomiast przy zwiększeniu przepływu – rozjaśnia się. Symulacja ta pozwala na prostą ilustrację wpływu obciążenia na pracę turbiny i generatora, która dobrze obrazuje fizyczny sens procesu wytwarzania energii.
2. Wyznaczanie charakterystyk pompy i układu hydraulicznego
Dzięki możliwości pomiaru ciśnienia, przepływu, napięcia i prądu pompy, możliwe jest eksperymentalne wyznaczenie charakterystyki pompy (ciśnienie w funkcji przepływu), określenie strat ciśnienia w układzie oraz jego wpływu na wydajność, oraz oszacowanie sprawności hydraulicznej i energetycznej systemu.
3. Synchronizacja generatora z siecią
Generator może być rozpędzony do prędkości synchronicznej i następnie synchronizowany z siecią elektroenergetyczną. Po synchronizacji turbina staje się źródłem energii dla sieci – dalsze zwiększanie przepływu wody powoduje zwiększenie mocy czynnej oddawanej do sieci, bez zmiany prędkości obrotowej. Zmniejszenie przepływu może prowadzić do sytuacji, w której układ zaczyna pracować w trybie silnikowym, pobierając energię z sieci, co można zaobserwować na watomierzu i oscyloskopie.
4. Badanie wpływu geometrii łopatek turbiny
Dzięki modularnej budowie turbiny Peltona zastosowanej w modelu – w szczególności wymiennym łopatkom wirnika – możliwe jest prowadzenie badań eksperymentalnych nad wpływem geometrii łopatek na sprawność i moment obrotowy turbiny. Zmiana kształtu czasz pozwala zaobserwować, jak różne konstrukcje łopatek wpływają na efektywność odbioru energii ze strumienia wody, modyfikują zachowanie turbiny przy różnych przepływach i ciśnieniach, a także jak wpływają na stabilność i równomierność obrotów. Klasyczne łopatki Peltona, dwie połówki symetryczne z wycięciem w środku, służą jako punkt odniesienia dla porównań. Stosować można również czasze płytsze lub głębsze, czasze z ostrzejszym rozdzielaczem centralnym, czasze asymetryczne, czy czasze z perforacjami lub rowkami.
Stan projektu
Zasadnicza część projektu została zakończona – model turbiny Peltona wraz z układem hydraulicznym, prądnicą, układem pomiarowym oraz konstrukcją nośną został w pełni zbudowany i zmodernizowany. Układ jest w stanie demonstracyjnym, gotowym do użytku dydaktycznego i wystawowego. Obecnie trwają bieżące prace konserwacyjne, mające na celu zapewnienie niezawodności i bezpieczeństwa eksploatacji. Wprowadzane są także drobne poprawki i ulepszenia, takie jak poprawa szczelności układu hydraulicznego, poprawki estetyczne, opracowanie dodatkowych wariantów łopatek do testów eksperymentalnych, rozbudowa układu pomiarowego o kolejne czujniki lub możliwość rejestracji danych.