Przedmiotem projektu jest modernizacja istniejącej turbiny gazowej, która znajduje się na stanie Koła Naukowego Energetyków Politechniki Warszawskiej poprzez wymianę zużytych części oraz zamontowanie czujników elektronicznych, dzięki którym otrzymamy możliwości badania parametrów pracy turbiny.
Ostatnim prowadzonym etapem projektu było przygotowanie turbiny do wystawienia na targach naukowych oraz umożliwienie przeprowadzania eksperymentów i pomiarów podczas pracy turbiny. Dzięki temu zakładana była możliwość przeprowadzania doświadczeń porównawczych mających na celu porównanie elementów typu: mikser paliwa, sprężarka itp.
Jednym z celów realizacji tego projektu było, aby Koło Naukowe Energetyków Politechniki Warszawskiej otrzymało kolejną rzecz godną pokazania na wystawach naukowych oraz zachęcenia większej liczby osób do dołączenia do naszego Koła.
W ramach projektu realizowane były (lub podjęta została próba realizacji) następujących działań:
Opracowanie i dopasowanie przyłącza turbosprężarki z turbiną
Naprawa i modernizacja dopływu paliwa do komory spalania
Instalacja barierki ochronnej
Modernizacja konsoli sterującej turbiną
Przeprowadzenie testów
Oddanie projektu do użytku
W celu ukończenia tego przedsięwzięcia potrzebne będzie wsparcie w celu poprawnego modelowania komory spalania oraz miksera paliwa w programach typu Ansys.
W wyniku zakończenia realizacji projektu pozyskamy następujące wyniki:
Działająca ze zwiększonymi standardami bezpieczeństwa turbina gazowa, którą można wystawiać podczas targów i konferencji
Możliwość wykonania w przyszłości analiz porównawczych pracy turbiny w programach typu Ansys
W dzisiejszych czasach odnawialne źródła energii zyskują coraz większą popularność, zawdzięczają to swojej niskiej emisyjności. Niosą jednak one ze sobą problemy związane z niestabilnością w procesie wytwarzania energii. Jest to spowodowane brakiem możliwości kontroli warunków pogodowych. W trakcie, gdy warunki są sprzyjające, a zapotrzebowanie energetyczne niskie tracimy nadwyżkę produkcyjną. W tej sytuacji przychodzą nam z ratunkiem różne formy magazynowania energii. Jedną z tych form jest elektrownia szczytowo-pompowa, która wykorzystuje nadwyżki prądu do przepompowania wody do zbiornika położonego na wyższym poziomie. W momencie większego zapotrzebowania na energie przepuszczamy wodę przez turbinę odzyskując część energii zmagazynowanej w postaci energii potencjalnej wody.
Projekt polega na zbudowaniu modelu elektrowni szczytowo – pompowej, która ma obrazować jak działają prawdziwe magazyny energii. W projekcie zastosujemy turbinę Francisa, która jest wykorzystywana w rzeczywistych elektrowniach. Na potrzeby projektu został przygotowany model turbiny, pozwoli to nam na przeprowadzanie obliczeń oraz wydrukowanie prototypu.
Celem projektu jest zaprojektowanie i zbudowanie modelu elektrowni szczytowo-pompowej, która wykorzystuje nadwyżki prądu do przepompowania wody do zbiornika położonego na wyższym poziomie. W momencie większego zapotrzebowania na energię przepuszczamy wodę przez turbinę, odzyskując część energii zmagazynowanej w postaci energii potencjalnej wody.
Układ składa się z dwóch zbiorników, turbiny wodnej Francisa, pompy akwariowej, dynama rowerowego i układu odbioru mocy (kondensator, dioda prostownicza, wyłącznik i dioda LED)
Woda spadając z górnego zbiornika transparentnym wężem o średnicy wewnętrznej 5 cm wpływa do turbiny. Turbina została zaprojektowana przez jednego z członków Koła Naukowego Energetyków Politechniki Warszawskiej i wydrukowana na drukarce 3D w Instytucie Techniki Cieplnej. W turbinie woda porusza wirnik, który jest połączony wałem z dynamem rowerowym. Dynamo ma 6 V i 3 W. Dioda LED ma 1 W. Dynamo produkuje prąd, który zasila diodę LED. Pompa akwariowa zanurzona w dolnym zbiorniku pompuje wodę do górnego zbiornika transparentnym wężem o średnicy wewnętrznej 12 mm.
Projekt prezentuje zjawisko fluidyzacji na przykładzie drobnego, sypkiego piasku. Zjawisko fluidyzacji jest wykorzystywane we fluidalnym kotle energetycznym, gdzie sprężone powietrze nadmuchiwane jest od dołu do pojemnika wypełnionego sypkim piaskiem.
Powietrze ”porywa” piasek z prędkością równą prędkości opadania grawitacyjnego, przez to cząsteczki przemieszczają się po całej objętości naczynia, co sprawia wrażenie, jakby warstwa zachowywała się jak ciecz. Fluidyzacja intensyfikuje procesy fizyczne i chemiczne, ponieważ maksymalnie wykorzystywana jest powierzchnia ciała stałego – dobra wymiana ciepła i masy.
Zastosowanie zjawiska:
Gazyfikacja paliw stałych – wydobycie węglowodorów z łupków bitumicznych, zgazowanie węgla w generatorze Winklera (pierwsze zastosowanie fluidyzacji w praktyce przemysłowej w roku 1926), spalanie węgla w kotłach fluidalnych, pozwalające na ograniczenie tlenków azotu i siaki.
Powlekanie metali warstwami plastycznymi
Mieszanie (proszki szklane, przemysł chemiczny i metalurgiczny)
Jako Koło Naukowe Energetyków podjęliśmy wyzwanie budowy urządzenia zamieniającego energię wiatru na energię elektryczną z jak najwyższą sprawnością.
Nasze prace rozpoczęły się od stworzenia modelu łopat a także samej turbiny oraz przeprowadzenia symulacji przepływu i wybraniu najbardziej sprawnej konfiguracji. Cały system elektryczny w skład którego wchodzą akumulatory, hamulec wraz z awaryjnym przyciskiem bezpieczeństwa oraz reszta automatyki została także zaprojektowana przez nas z pomocą pracowników akademickich wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej.
Efektem pracy był model małej turbiny z pełną dokumentacją techniczną. Planowana była również próba wdrożenia projektu na większą skalę np. jako źródło wspomagające produkcje energii elektrycznej z paneli fotowoltaicznych.
Konkurs „Wielkie Wyzwanie” ma rangę ogólnokrajową, stwarzając szansę konkurowania z najlepszymi konstruktorami z całej Polski.
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
