Oman vesivoimalaitoksen rakentaminen
Windesol - Tuuli- & aurinkovoima tietosanakirja
Sisällysluettelo |
Yleistä
Jos tonttisi läpi kulkee puro tai koski, niin kannattaa vilkaista olisiko siihen mahdollista rakentaa pientä patoa ja tuottaa sähköä pienellä vesiturbiinilla ja generaattorilla. Veden virtaaman voi tarkastaa tekemällä puroon pienen padon ja laitamalla patoon putken jonka läpi vesi virtaa vaikkapa 50 litran saaviin. Saavin täyttymisen aika mitataan sekuntikellolla.
Pitempiaikaiset virtaamamittaukset ovat järkevintä tehdä käyttäen porttilevyä, eli metallilevyä, jossa on neliömäinen tai kolmiomainen leikkaus. Virtaama määrää pinnakorkeuden levyn takana ja aukon mitoista voidaan tämän jälkeen laskea virtaama.
Jotta pienvesivoimalaitoksesta saataisiin kehitettyä tarpeeksi tehoa ja noeputta nopeutta generaattorille, niin padolla olisi hyvä saada korkeuseroa ainakin sen 0,5 metriä. Riippuu tietysti minkä mallista vesiturbiinia käytetään. Tyypillisesti myllykoneille vaaditaan ainakin 2m padotuskorkeus, mutta mikroluokan koneita voi käyttää pikku ojissakin.
Rakentaminen
Pienvesivoimalaitoksen rakentamiseen tarvitaan generaattori, akusto, vesiturbiini ja jonkinlainen pato korkeuserojen saamiseksi. Jos tarkoitus on käyttää elektronisia laitteita, tai kojeita jotka on herkkiä jännitteen muutoksille, on järkevää kytkeä väliin myös jännitteen tasaaja, jotta laitteisiin ei pääse syntymään virtapiikkejä.
Virtaaman määrittäminen
Virtaama on perustietoa olosuhteita ja keskeinen tekijä laitteistoa mitoitettaessa. Virtaama kertoo kuinka paljon vettä kulkee tietyn puron kohdan ohi tietyssä ajassa
Suuntaa antava laskeminen onnistuu määrittämällä puron virtauspinta-ala A
Jos puro on mitoiltaan 2 metriä leveä ja 1 metrin syvä, niin pinta-ala on todennäköisesti lähellä puoliympyrää saadaan: A=3,14*1[m²]
Suuntaa antava virtausnopeus voidaan mitata esim. siitä kauanko roskalla menee tietyn matkan kulkemiseen. Mittaustulos on kuitenkin vain suuntaa-antava, koska virtausnopeus on hitaampi mitä lähempänä pohjaa ollaan. Virtausnopeus v saadaan jakamalla matka siihen kuluvalla ajalla. Oletetaan että virtausnopeus on V=0,159[m/s] Virtaamaa (Vt) laskettaessa yhdistetään edellä olevat tiedot. Vt = A*v = 3,14[m²]*0,159[m/s] = 0,5[m³/s]
Tarkka mittaus saadaan tekemäällä mittapato ja laittamalla siihen porttilevy.
Turbiinin valinta
Turbiinimallin valinta riippuu siitä mihin vesivoimaa käytetään. Myllynkivet pyörii hitaalla suuren momentin kehittävällä vesirattaalla mainiosti, mutta jos halutaan tuottaa sähköä ja minimoida koneistoon kuluvaa materiamäärää, niin on pyrittävä valitsemaan mahdollisimman nopeasti pyörivä kone. Myöskin virtaamavaihtelut aiheuttavat tehonsäätötarpeen, joten koneiston on oltava myös helposti ja hyvällä hyötysuhteella säädettävissä.
Matalissa putouksissa parhaiten suoriutuu täyssäätöinen kaplan turbiini. Sellaisen hankintahinta on vain varsin suuri. Seuraavaksi parhaiten suorituu nopea francis turbiini. Kolmantena vaihtoehtona on ulkosäätöinen potkuriturbiini, joita joskus kaupitellaan myös kaplan turbiini nimellä, erityisesti idän markkinoilta. Potkuriturbiini on nopea, mutta sen säätöalue on kapea, siten se ei ole yksinään hyvä suomen vaihtelevaan vesitilanteeseen. Toki jos niitä on useita erikokoisia ja käytetään on/off säätöä, niin saavutetaan tyydyttävä säätöalue, mutta kallista rautaa makaa enimmän osaa aikaa käyttämättömänä.
Siten tietty vesirattaat ovat suosittuja ja hyvin säätyviä, mutta niiden käyttö vaatii järeän vaihteiston, sekä talven varuiksi ne on rakennettava sisätiloihin.
Okein muilla turbiinityypeillä ei ole käyttöä suomessa.
Korkeissa putouksissa saadaan riittävän kova paine vesisuihkuun, jolloin voidaan käyttää peltonturbiineita. Etuina on vaaditun vesimäärän pienuus. Laite on hyvä pumppuvoimalaitoksessa, esim varastoimaan tuulihuippujen tuotantoa.
Matalissa turbiineissa käytetään yleensä Kaplan-turbiinin tyyppisiä ratkaisuja. Pienikokoisia täyssäätöisiä kaplan turbiineja ei ole tiettävästi markkinoilla, joten sen käyttö pienkohteissa vaatii runsaasti omaa yritteliäisyyttä.
Generaattorin mitoitus
Kun tiedetään putouskorkeus ja vesimäärä, sekä on valittu mitä turbiinityypiä käytetään, niin voidaan suorittaa laskut P=v*h*n, jossa v=vesimäärä kuutioina, h putouskorkeus ja n hyötysuhdekerroin 9.81 teoreettisesti, kaplanturbiinille voidaan valita 9 ja francisturbiinille 8.
Näistä arvoista saadaan teho, esim 1m³/s*2m*9m/s²=18kw. Turbiinin halkasija saadaan määritettyä putousnopeudesta eli e=½mv²=mgh -> v=sqrt(2gh). Kaplan(potkuri)turbiinissa nopeus juoksupyörän kohdalla on tyypillisesti 50-70% teoreettisesta nopeudesta ja francis turbiinissa n. 20-25%. Esim em. 18kw kaplanturbiini on halkasijaltaan n. 58cm (60% oletuksella). Vastaavilla arvoilla francis turbiinin juoksupyörä on jo 1m halkaisijalla (20% nopeusoletus 16kw).
Turbiinien pyörimisnopeuteen pääsee kiinni ominaisnopeuden kautta. Ko. francisturbiinille muodostuva nopeus olisi n. 141rpm, ja kaplanturbiinin n. 440rpm. Yleensä turbiinikoot ja ominaisnopeudet valitaan siten, että saadaan generaattori kiinteävedolla kiinni. Siten arvot saa laskea useasti, kunnes löytyy sopiva turbiini.
Maksimiteho
Potentiaalienergia Epot eli asemaenergia kuvaa veden massan kykyä tehdä työtä asemansa ansiosta. Epot = mgh
Mitä korkeammalla padottu pinta on suhteessa alavirran pintaan, sitä suurempi teho on mahdollista saada irti.
Esimerkkitapauksessamme virtausnopeutemme on 0,5[m³/s] = 500l/s Laskussa käytettäviä arvoja
- Maan vetovoiman kiihtyvyy g=9,81[m/s²]
- Veden tiheys ρ=1000[kg/m³] (+4°C)
- Patoamiskorkeus h=1[m]
Teho onkin helppo laskea edellä olevista arvoista
P = Vt *ρ*g*h = 0,5[m³/s]*1000[kg/m³]*9,81[m/s²] =4905W
Tästä saatua teholuokkaa kannattaa käyttää valittaessa sopivaa generaattoria.
Todellinen hyötysuhde isoissa laitoksissa on 90% luokkaa. Kotikutoisessa koneessa voi varmaankin ottaa puolet pois, eli silloin esimerkkilaitoksen todellinen teho olisi 2000W
Ympäristövaikutusten huomioiminen
Jos voimalan tahdotaan toimivan ympäri vuoden, on hyvä alimitoittaa virtaus, koska muutoin voi kuivina kesinä vedenpinta laskea kohtuuttomasti yläjuoksulla, jos laitosta käytetään jatkuvasti.
Ympäristökeskuksen sivuilla on maininta patoamisesta: "Purojen ja ojien patoamisessa on erityisesti huomattava se, ettei padottu vesipinta saa aiheuttaa harvinaisenkaan tulvan aikana vettymis- tai muuta vahinkoa yläjuoksulla. Patoallasta ei saa täyttää kuivana aikana eikä tyhjentää äkkiä niin, että alajuoksulla aiheutuu veden puutetta, tulvimishaittaa, veden laadun heikkenemistä tai pilaantumista. (VL 1 luku 15, 17, 19-20 §)"
Katso myös
