Nelehké začátky aneb co vše obnáší realizace využití vodního toku svépomocí…..
Doufám, že tímto článkem nikoho neodradím od záměru využití vodního toku, ale
začátky, alespoň u mne, absolutního laika v problematice MVE, nebyly jednoduché.
Článek je trochu delší než jsem původně zamýšlel.
Jak to všechno začalo?
Přes pozemek mi protéká potok a několik let mi nedalo spát jak takové „obrovské
množství“ vody využít k vlastnímu prospěchu. Později jsem zjistil, že až tak
obrovské množství to není. První co mne napadlo, bylo vodní kolo. Doposud jsem
neměl s vodním živlem pražádné zkušenosti. Jal jsem se tedy výroby dřevěného
pokusného kola, to abych zjistil, kolik kilowatt to dá. Velice záhy jsem
pochopil, že to nebude úplně jednoduché. Po několika neúspěšných pokusech jsem
vyprojektoval a vyrobil hliníkové vodní kolo o průměru 4m s otevřeným náhonem.
K tomuto jsem přes dva převody, jeden řetězový a druhý s drážkovým řemenem a
plochými řemenicemi, připojil autoalternátor. Otáčky vodního kola cca 20 za min
a na řemenici alternátoru cca 2000. Výkon neuvěřitelný - plných cca 5W. Sotva to
stačilo na vybuzení alternátoru. Bylo to neskutečné zklamání. Jen připomenu, že
jsem v té době o pomaluběžných alternátorech, o kterých se píše na těchto
stránkách, neměl ani potuchu. Různými úpravami jsem zvýšil výkon na celých 15W.
Nějakou dobu kolo běželo alespoň jako ozdoba. Nic méně další zkušeností bylo, že
vodní kolo je sice hezké, ale stálé klapání a šplouchání vody, zvláště v nočních
hodinách nebude to pravé. Po nějakém čase jsem narazil na stránky o vodních
motorech a vodních dílech všeobecně
http://mve.energetika.cz/index.htm.
Na těchto stránkách jsou i kalkulátory pro výpočty výkonů, průtoků a dokonce i
návody jak si takový vodní motor vyrobit. Probral jsem tedy, dostupné možnosti
výroby příslušných dílů a vyšlo mi, že nejjednodušší bude výroba turbíny Banki.
Výroba turbíny – no to bude přeci jednoduché – kalkulátor k výpočtu všech
potřebných rozměrů funguje, tak již jenom vymyslet konstrukci. Mno, nebylo to až
tak jednoduché. Celkem jsem vyrobil čtyři nebo snad pět? Nebudu zde podrobně
popisovat postup výroby jednotlivých turbín. Zmíním jen nedostatky, kterými
turbíny trpěly. První turbína snad měla vhodné rozměry oběžného kola, ale špatný
úhel nátoku. U druhé turbíny se po několika hodinách provozu odporoučela
uzavírací klapka. Před stavbou třetí turbíny jsem zjistil, že se mi do sklepa
domu dostává spodní voda, když mám max. horní hladinu vody na jezu. Zvážil jsem
situaci a rozhodl se že, jako přivaděč k turbíně nebude otevřený náhon, ale
potrubí a jez posunu na horní hranici pozemku. Získal jsem i podstatně větší
spád cca 4,5m oproti původním 1,7m. Potom, ale musí i turbína odpovídat
příslušnému spádu. Třetí turbína tedy byla pro spád 4,5m. Bohužel se mi při
maximálním průtoku zahlcovala. Dle konzultace s autorem výše zmíněných stránek
jsem zjistil, že mám špatně nabroušené lopatky a malý průměr. Výkon na hřídeli
cca 55W. Opět zklamání. Konečně jsem pochopil, že ten kalkulátor pro výpočet
turbíny nebude až tak dokonalý. On možná je, ale ne pro výrobu turbín tak malých
rozměrů. Pro turbíny s výkonem několika kW až několika desítek kW je nějaká ta
ztráta 200 – 300W zanedbatelná. U turbíny pro můj předpokládaný výkon v řádu sta
wattů, je taková ztráta fatální. Začal sem znovu počítat, tentokrát již jen
pomocí vzorců. Koneckonců již byly nějaké zkušenosti. Dopracoval jsem se tedy k
současné turbíně, která běží celkem obstojně. Dle měření, s účinností cca 65 –
75%. S výkonem (na hřídeli) cca 460W. Dle průtoku. Tak, turbína by byla a teď tu
elektřinu. To je přeci jasné, nejjednodušší cesta bude upravený alternátor
z auta.
Rozčarování dorazilo posléze, když jsem z autoalternátoru vykuchal cívku rotoru
a nahradil ji permanentním magnetem. Sic nepotřeboval žádné buzení, ale zato
bych ho musel roztočit tak na 5000ot/min a více. Vzhledem k průměru oběžného
kola cca 200mm, rychlosti proudění a konstrukci turbíny, těžko dosažitelné.
Navíc jsem zjistil, že jen ztráta v převodu je cca 30 -60W. Záleželo na
zatížení. Velký převod + malý průměr hnaného kola = velký problém. Ač jsem měl
drážkové řemenice a syntetický drážkový řemen, při velkém zatížení se odíral.
Nic méně dosažený výkon cca 110W na svorkách alternátoru. Pochopil jsem, že tudy
cesta nepovede. Pak jsem ale narazil na stránky o výrobě pomaluběžného
alternátoru. Pár dotazů na fóru a jde se nato.
Celý natěšený jsem začal shánět potřebný matriál. Smaltovaný drát, magnety,
forma na odlévání připravená, jen ten epoxy ne a ne dorazit. Objel jsem tedy
všechny obchody „barvy laky“ v okolí a jediný co jsem sehnal, byl epoxy na
opravu laminátových lodí. No tak rotory zaliji laminátovým a stator až dorazí
ten správný epoxy. Chvilku na to, jsem si připomněl pořekadlo „ práce kvapná hou…by
platná“. Laminovací epoxy, při tuhnutí popraskal. Ne moc, ale bylo mi jasné, že
to není dobré. No snad to vydrží – nevydrželo. Tedy nějakou dobu ano, ale
odstředivá síla, byť při 400ot/min a dynamické síly při zatížení alternátoru
časem provedly své. Další chybu jsem zjistil, při vynutí první cívky statoru.
Nějak jsem zaměnil průměr s průřezem a objednal si silnější drát. Potřebný počet
závitů jsem do šablony nedostal. Nedalo se nic dělat. Stator bude o něco
silnější. Na první pokus nebyl výsledek až tak zlý. Z altíku jsem vyždímal (při
testech) neuvěřitelných 450W při napětí cca 80V. Tak co dál? Jak dostanu
střídavý výkon do stejnosměrné baterie tak abych ji nezničil? Opět mi pomohly
stránky http://www.vawt.om2cm.sk a zmínka
o solárním regulátoru TriStar. Delší dobu jsem váhal – cena regulátoru není
zrovna nejpříznivější. Jeho parametry a možnosti, zejména vlastní konfigurace a
dálková správa, však rozhodly. Pořídil jsem tedy TriStar 60 MPPT. Honem připojit
nakonfigurovat a …….. 180W max. Za ty prachy? No to snad ne! Nastala tedy další
anabáze různých konfigurací, výroba několika statorů tak aby nebyl silnější jak
10mm. Tenčí drát cívky s větším počtem závitů. Nakonec pomohl až upgrade
firmware TriStaru. V původní verzi bylo nastavení pro „wind či hydro mod“, ale
to jaksi nefungovalo.
Stále reguloval na systémové napětí. V mém případě na 12V. Tudíž moc brzdil
turbínu. Ta běžela na nižší než jmenovité otáčky a rapidně ztrácela na výkonu.
Zkusil jsem tedy zvýšit systémové napětí na 48V. Dosáhl jsem opačného efektu.
Turbína se točila na vyšší otáčky než jmenovité a opět ztrácela na výkonu. Navíc
jsem neměl (a nemám) pro toto napětí střídač. Jak jsem se zmínil výše, pomohl až
upgrade. Jenže, jaké jsou správné hodnoty do tabulky nastavení, dle které má
regulátor fungovat? Nakonec jsem zjistil, že lze regulátor provozovat i v režimu
tzv. regulování na stálé vstupní napětí. Funguje to tak, že TriStar při této
konfiguraci natolik zatěžuje vstupní pole (alternátor) aby nepokleslo, nebo
nepřekročilo vstupní napětí nastavené. Konečně jsem měl nějakou konstantu, od
které jsem se mohl odrazit. Měnil jsem tedy toto nastavené napětí při různém
průtoku a různých otáčkách. Získal jsem vztah optimální otáčky + napětí + max.
výkon + průtok. Napětí a výkon jsem zadal do konfigurace a ono …….. je to lepší
(cca250W), ale kde je ten předpokládaný zbytek výkonu? Znovu nastalo laborování.
Co změnit, opravit, upravit a kde je chyba. Znovu jsem otestoval alternátor.
Tentokrát jsem si však ze starého vojenského regulátoru dobíjení vyrobil
zatěžovací stolici. A už mi to bylo jasné – při daných otáčkách z toho
alternátoru větší výkon nevydoluji. Alternátor celkově zvětšit nemohu. Mohl bych
zvětšit napětí, pokud bych použil tenčí drát, ale pak je reálné riziko proražení
izolace vinutí při daném trvalém proudovém zatížení. Navíc musím počítat s tím,
že se turbína bez zatížení roztočí na 1,8násobek jmen.otáček. Pak bych mohl
zničit regulátor vysokým vstupním napětím. Další možnost by mohla být ve
zmenšení vzduchové mezery mezi rotory a statorem. Podařilo se mi mezeru zmenšit
na 1mm. Zkoušel jsem i menší (0,5mm). Bez zatížení se zdálo být vše v pořádku,
avšak s rostoucím zatížením začaly rotory škrtat o stator. Jeden stator jsem
tímto způsobem odepsal. Nevím, co neodolalo elektromagnetickým a dynamickým
silám, zda rotory nebo stator. Domnívám se však, že se při zatížení prohýbá
stator. On se totiž i docela ohřeje. Ne moc, ale určitě je teplejší než teplota
okolí. Nakonec jsem tedy vyrobil další alternátor a připojil jej po usměrnění
paralelně k tomu prvnímu. Tady jen zmíním, že oba alternátory musí mít stejnou „otáčkově-napěťovou“
charakteristiku. Jinak se bude výkonově zatěžovat jen ten s vyšším napětím. Ten
druhý pojede naprázdno. Max výkon 460W. Tedy pokud teče dostatek vody a turbína
je otevřená na 90 - 100%. Současný provoz mám při otevření turbíny tak na 60% a
výkon na alternátoru cca 320 – 380W. To podle hladiny na jezu. Celé soustrojí,
pro nedostatek vody (v létě), většinou provozuji v režimu cyklování a to ještě
s otevřením turbíny do 60 – 65%. Na podzim a na jaře je to samozřejmě lepší.
Průměrný denní výkon se pohybuje v rozmezí od 2,8kW do 10,5kW denního výkonu dle
průtoku.
Ještě v krátkosti se zmíním o střídači na 240VAC a využití el.en. Vyzkoušel
jsem jich několik. S modifikovanou i přesnou sinusoidou. V žádném případě
nedoporučuji pořizovat levné aparáty s modifikovanou nebo dokonalou sinusoidou
určené pro občasné použití v karavanech apod. Jejich životnost při trvalém
používání je tak dva až tři měsíce. Pak se odporoučí. Většinou se mi je podařilo
reklamovat, ono taky jak poznat, že fungoval 24 hodin 7 dní v týdnu, ale jsou
s tím problémy a nakonec jsem si stejně pořídil ten dražší. Teď mám jakýsi TS-1000-212B
výrobce MeanWell u kterého se dá nakonfigurovat výstupní napětí od 200 do 240V a
frekvence 50 nebo 60Hz. Nic nemrká, nic nebliká, nic nevrčí a nic se nehřeje.
Systém mi funguje jako ostrov s automatickým přepínáním rozvodná síť a MiVE
(střídač). Přepínám fázi a pracovní nulu. Přepnutí mi zajišťuje PLC pro ovládání
turbíny (dle napětí baterie) a přepínací kontakty relé. Nevýhodou těchto
střídačů je, že nemají izolovaný střed. Na výstupu střídače je proti kostře
(kolík nebo kostra střídače) polovina napětí tedy cca 115V. Těch 230V se naměří
zdířka - zdířka. Nikdy se nesmí spojit kostra střídače (rádoby ochranným kolíkem
střídače) s ochranným vodičem vnitřních domovních rozvodů a s krajním vodičem
výstupu střídače. Střídač je koncipován jako oddělený (izolovaný) zdroj. Při
propojení kolíku se zdířkou, se ve většině případů střídač zlikviduje. Vím, že
se vyrábí a dají sehnat i střídače s izolovaným středem a že fungují úplně
stejně jako síť TN-C-S, ale cena těchto střídačů je trochu „jinde“. Z tohoto
tedy plyne, že lze tento způsob blokování v síti TN-C a TN-C-S použít jen pro
spotřebiče s dvojitou izolací tj. plastové. Do této skupiny patří i vrtačky a
podobné ruční nářadí bez ochranného kolíku. Nikdy ne kovové s ochranným vodičem!
Rozhodl jsem se, že mnou vyrobenou el.en využiji hlavně ke svícení a pro několik
zásuvek. Rozvod mám bohužel TN-C. Znamenalo to pro mne nahradit všechna kovová
svítidla plastovými a klasické zásuvky s ochranným kolíkem nahradit zásuvkami
bez kolíku pro spotřebiče s třídou ochrany II. Tj. s dvojitou izolací. Na
střídači by se teoreticky dali provozovat i spotřebiče s třídou ochrany I, ale
musel by být samostatný rozvod oddělený od sítě, nebo spotřebič zapojený přímo
na střídač. V případě poruchy spotřebiče však na 100% střídač umře a dalo by se
dlouze polemizovat o bezpečném napětí na kostře spotřebiče.
Ještě by snad mohlo někoho zajímat, jak dlouho jsem to všechno kutil.
2004 - 2005 První vodní kolo – koreček s otevřeným náhonem
2006 – Hliníkové kolo o průměru 4m
2007 – První model turbíny s otevřeným náhonem, na spád 1,7m
2009 – 2010 – několik modelů turbín
2011 – Poslední model turbíny, první pomaluběžný alternátor, první zkušenosti s
TriStar
2012 – Po upgrade TriStar konečně nějaké výsledky
Suma sumárum - celkem 6 - 7 let vývoje. Samozřejmě, že po volných chvílích a o
víkendech.
PS
Původně jsem na těchto stránkách chtěl sepsat podrobný návod, ale nakonec jsem
se
rozhodl, že podrobné návody to nebudou. Bylo by to dlouhé a po zkušenostech si
to stejně každý udělá posvém.