Postačí elektrický výkon 100 W
dodávaný turbínou SETUR DVE 120 pro provoz této chaty?


Instalace domácí vodní elektrárny DVE

(praktický, zjednodušený postup)

Náš cíl:  Zajistit dostatečné množství elektrické energie pro běžný provoz "naší" obytné jednotky s využitím blízkého vodního zdroje.


Pro naše rozhodnutí o zamýšlené instalaci DVE je nutno provést energetickou bilanci:
A)  Zdroje elektrické energie
B)  Spotřeby elektrické energie

A) Energetická bilance vodního zdroje, provoz domácí vodní elektrárny:

Než započneme s instalací DVE, je nutno mít na paměti vyřešení všech majetkoprávních vztahů k lokalitě, včetně vodoprávního povolení a stavebního povolení, pokud v daném místě již nebylo dříve vyřešeno.
V terénu, kde je postavena "naše" obytná jednotka, provedeme hrubé stanovení potenciálu výroby elektrické energie z vodního zdroje, ze kterého budeme DVE napájet. Stanovíme 2 hlavní údaje:

1. Spád vody:  H [m]
Zjednodušeně odměříme rozdíl horní hladiny (místo, kde bude instalován vstup do potrubí) a dolní hladiny (místo, kde bude DVE instalována).

Pro náš příklad bylo naměřeno: H = 5m

2. Průtok vody:  Q [l/s]
Stanovíme v místě instalace DVE, a to alespoň provedením několika měření, např. naplňováním nádoby (sudu) známého objemu a stopkami odměřujeme čas, za který se vždy nádoba naplní.

Pro náš případ bylo naměřeno:
sud, objem 200 l; průměrný čas naplnění:  25 s
potom průtok vody: Q=200/25=8 l/s
Q = 8 l/s

3. Stanovení trvalého výkonu elektrického zdroje
Za předpokladu, že celý objem vody proteče turbínou a vykoná práci, vypočteme očekávaný výkon na výstupních svorkách generátoru takto:
DÁNO: účinnost turbíny mechanická: hM = 0,7 (70%)
DÁNO: účinnost generátoru: hG = 0,5 (50%)
DÁNO: koeficient hydraulických ztrát přívodního potrubí: 0,765
Elektrický výkon PEL:
PEL= g * Q * H * hM * hG * 0,765 =
PEL= 9,81 * 8 * 5 * 0,7 * 0,5 * 0,765 = 105W
PEL= 105 W

Závěr:
Náš vodní zdroj je schopen přeměnit svůj energetický potenciál v elektrický výkon na generátoru 105 W. Turbína SETUR bude opatřena 3-fázovým synchronním generátorem s parametry:
Výkon: 120 W
Napětí: 3x24 V střídavé

B) Energetická bilance spotřeby elektrické energie v "naší" obytné jednotce

Základem pro výpočet je "naše" účelné rozmístění spotřebičů s jejich výkony nebo spotřebami tak, jak je patrno z obrázku. Současně si stanovíme i předpokládanou dobu jejich denního provozu. Údaje si napíšeme do tabulky a provedeme výpočet spotřeby. Použité schématické značky pro orientaci uvádíme.








DVE turbína a 3 fázový synchronní generátor
s permanentními magnety
Přípojková skříň - vyvedení výkonu z generátoru
Rozvodová přechodová skříň s instalovaným regulátorem
stejnosměrného napětí a střídačem napětí
Akumulátor (baterie)
Úsporná žárovka (kompaktní zářivka)
Televizor
Radiopřijímač
Ventilátor
Chladnička
Čerpadlo vody




Základní blokové schéma






Tepelný spotřebič
Spotřebič s motorem
Zářivkový spotřebič
Střídač (měnič)
(24V stejnosměrných na 230 V, 50 Hz střídavých)
Usměrňovač s regulátorem napětí
pro šetrné dobíjení akumulátorů (měnič)

Tabulka spotřeb elektrické energie - bilance provozu

Umístění
spotřebiče
DruhVýkon [W]Provoz
[h/den]
Denní spotřeba
[Wh/den]
Suterénžárovka9*1= 9
žárovka11*2= 22
Verandažárovka9*2= 18
žárovka9*2= 18
Obývací pokojžárovka9*1,5= 13,5
žárovka9*1,5= 13,5
žárovka20*4= 80
televizor50*5= 250
radio15*10= 150
Ložnicežárovka13*2,5= 32,5
žárovka9*2= 18
žárovka9*2= 18
Kuchyněžárovka11*2= 22
žárovka13*1,5= 19,5
ventilátor25*1,5= 37,5
chladnička(55)*(12)= 660
WCžárovka11*1,5= 16,5
ventilátor25*1= 25
Koupelnažárovka11*3= 33
Studnačerpadlo180*1,5= 270
Celkem 1726
Ztráty regulace,
měničů a rezerva
10% (zvoleno)=173
Celková očekávaná denní spotřeba Ad= 1899 Wh


Po stanovení denní spotřeby (viz. tabulka) si zvolíme systémové napětí akumulátorů (12 V nebo 24 V stejnosměrných). Z pohledu ztrát ve vedení volíme napětí vyšší: USYST=24 V

- následně vypočítáme základní kapacitu akumulátorové baterie CA [Ah]:

CA = Celková očekávaná denní spotřeba = Ad = 1899 = 79,125 Ah



Systémové napětíUSYST24


Takto vypočtená kapacita akumulátoru (baterie) odpovídá nepřetržitému pracovnímu režimu DVE, a to bez kapacitní rezervy a také bez ohledu na hloubku jeho vybití.
Pro jistotu budeme uvažovat denní odstávku DVE max. 0,5 hodiny. Stanovíme si koeficient pro nárůst kapacity akumulátoru:
kA= 24 / (24 - 0,5) = 1,021

Za účelem šetrného provozu akumulátoru nesmí být hloubka jeho vybití větší než 50%.
Proto koeficient hloubky vybití bude:
hV = 0,5

- následně vypočítáme optimální kapacitu akumulátoru pro provoz našich spotřebičů:

C = CA* kA / hV = 79,125 * 1,021 / 0,5 = 161,617 Ah

Z dostupného výběru typů akumulátorů zvolíme sestavu 2 kusů akumulátorů se jmenovitou kapacitou 80 Ah s napětím 12V v sériovém zapojení:

C=160 Ah, výstupní napětí obou akumulátorů  U = 24 V (odpovídá USYST)

Abychom mohli provozovat současně energeticky nejnáročnější spotřebiče, je nutné stanovit i vhodný výkon střídače pro vlastní síť 1~ 230V, 50 Hz, v "naší" obytné jednotce.

Ze spotřebičů např. vybereme:

Chladnička:  55 W
Čerpadlo:180 W
Televizor:  50 W
Světlo:  13 W
Celkem:298 W


Z uvedeného je zřejmé, že minimální výkon střídače napětí bude nutno zvolit, při systémovém napětí 24V:
Pstř. = 300 W

Proudový odběr bude kryt z části z akumulátorů a z části z výkonu DVE jako zdroje.
Proud na stejnosměrné straně střídače bude:
Istř. = PM / USYST = 300 / 24 = 12,5 A

- s ohledem na již velký proud v přívodu do střídače je nutné i správně dimenzovat vedení.
V našem případě vyhoví pro předpokládanou ztrátu do 3% ve vedení použít pro oba přívodní vodiče (+,-) do střídače vodiče průřezu min. 6mm2, při délce maximálně 8m (rozumí se od akumulátoru do střídače), při proudové hustotě 2,5 A/mm2.

Tím je naše energetická bilance spotřeby, návrh kapacity akumulátoru a stanovení výkonu střídače dokončeno.
Pro vlastní jistotu ověříme možnosti zdroje (DVE) na redukovaném denním výkonu pro časový úsek od 600 - 2400, tj. pro 18 hodin.
Ad = 1899 Wh / den = 24 hodin
Adr = 1899 Wh / 18 hodin -> stanovíme trvalý redukovaný výkon při provozu "naší" obytné jednotky:
P18 = Ad / 18 = 1899 / 18 = 105,5 W
DVE dle našeho úvodního výpočtu dává trvalý výkon PEL= 105 W



Závěr:
Porovnáním výpočtů a údajů z odstavců "A" a "B" jsme došli k závěru, že výkon zdroje elektrické energie vyhovuje naší provozní potřebě. V případě, že je vypočítaný údaj P18 > PEL (větší) více než o 5%, je nutné představu o provozování "naší" obytné jednotky znovu prověřit, a to úpravami v tabulce.

K celé uvedené problematice Vám rádi poskytneme další podrobnosti, a to zejména k možnostem realizace celého energetického řetězce.