Celem projektu jest zbudowanie modelu opomiarowanego systemu elektroenergetycznego (SEE) z turbiną wodną, jako źródłem, oraz z instalacją symulującą odbiorców.
W przeciwieństwie do budowanych dotychczas tego typu modeli, układ ma możliwość synchronizacji z siecią. Oznacza to, że wyprodukowana w prądnicy energia elektryczna trafi do Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE), tak jak ma to miejsce w prawdziwych blokach energetycznych. Nakłada to pewne wymagania, co do jej parametrów, co stanowiło największe wyzwanie projektu.
Prądnica w założeniach miała również pracować w trybie silnikowym (tj. zamieniać energię elektryczną na energię mechaniczną) stanowiąc napęd dla turbiny wodnej. Na takim modelu można by w prosty sposób wyjaśnić i pokazać na czym polega regulacja mocy w SEE i jaką rolę pełni w niej częstotliwość oraz jak przebiega synchronizacja generatora z siecią i na czym polega współpraca tych dwóch składowych SEE. Zagadnienia te są kluczowe, a mimo to nadal często błędnie rozumiane przez wielu studentów.
Nie ulega wątpliwości, że praca układu jest efektowna, wobec czego projekt jest atrakcją również na piknikach naukowych.
Projekt ma szczególne znaczenie edukacyjne, stanowi wstęp do prowadzonych przez Koło warsztatów dotyczących działania krajowego systemu elektroenergetycznego, jak również rozmów na temat różnych typów elektrowni wodnych.
Założenia projektu
TURBINA WODNA I WAŁ
Będzie to turbina Eltona o osi poziomej. Jej elementy zostaną zaprojektowane w systemie CAD (Computer Aided Design – komputerowe wspomaganie projektowania) i wykonane na drukarce 3D. W odpowiednich miejscach elementy będą wzmocnione częściami metalowymi. Łopatki turbiny będą wymienne. Turbina będzie osadzona na ułożyskowanym wale połączonym z wałem prądnicy sprzęgłem sztywnym. Obudowa turbiny będzie wykonana z plexi. Każdy element układu będzie się dało zdemontować i wymienić.
PRĄDNICA
Prądnica zostanie zbudowana na podstawie istniejącego rozwiązania (tj. silnika istniejącego urządzenia). Będzie wymagała szeregu zmian, które pozwolą jej generować prąd o parametrach KSE.
UKŁAD WODNY
Woda opuszczająca turbinę będzie wpadać do znajdującego się bezpośrednio pod nią zbiornika. Następnie będzie tłoczona przez pompę, elastyczny rurociąg, zawór regulacyjny i dyszę na łopatki turbiny. Regulacja przepływu będzie odbywać się ręcznie poprzez obracania zaworu regulacyjnego.
TABLICA Z MIERNIKAMI I PRZEŁĄCZNIKAMI
Układ pomiarowy będzie składał się z oscyloskopu i watomierza. Odbiorców energii elektrycznej będą symulowały dwie żarówki. Zestaw przełączników będzie pozwalał na włączanie/wyłączanie żarówek i synchronizację generatora z siecią.
KONSTRUKCJA NOŚNA
Wszystkie elementy będą przymocowane do stalowej konstrukcji składające się z prefabrykowanych kątowników, płaskowników i złączek kątowych połączonych za pomocą śrub.
EKSPERYMENTY DO PRZEPROWADZENIA NA MODELU
OBCIĄŻANIE GENERATORA
Po rozpędzeniu generatora do odpowiedniej prędkości (poprzez odkręcanie zaworu regulującego przepływ), obwód prądnicy zostanie obciążony przez włączenie pierwszej żarówki. Obciążony generator wyraźnie zwolni, będzie widać to po obrotach samej turbiny jak i na oscyloskopie. Dla przywrócenia poprzedniej częstotliwości należy odpowiednio rozkręcić zawór regulujący przepływ wody. Następnie w obwód zostanie włączona druga żarówka, zaobserwujemy podobno zjawisko. Eksperyment ten wyjaśni jaką rolę w SEE pełni częstotliwość i na czym polega regulacja mocy w SEE.
SYNCHRONIZACJA GENERATORA Z SIECIĄ
Po rozpędzeniu generatora do prędkości synchronicznej (prędkości przy której częstotliwość zmian napięcia produkowanej przez generator energii elektrycznej będzie odpowiadała tej wymaganej przez KSE) zostanie przeprowadzona synchronizacja generatora z siecią. Teraz praca turbiny jest podporządkowana sieci. Przy dalszym rozkręcaniu zaworu regulującego przepływ wody prędkość turbiny nie zwiększy się, wzrośnie za to moment i moc turbiny, co będzie można zaobserwować na watomierzu. Jeśli natomiast zawór zostanie przykręcony, turbina nie zwolni – zacznie pracować w trybie silnikowym i pobierać energię z KSE.
Stan projektu
Projekt zakończony, jedynie wymagane są mniejsze prace konserwacyjne oraz warsztatowe