Artykuł porusza zagadnienie sprawności poszczególnych elementów układu generacyjnego i przedstawia przykładowe porównanie trzech wybranych układów generacyjnych. Opracowanie dotyczy niskospadowych elektrowni wodnych (MEW) z hydrozespołami o mocach znamionowych w zakresie kilkudziesięciu do kilkuset kilowatów, gdzie prędkość turbiny typowo mieści się w przedziale 100-500 obr/min.
Sprawność układu generacyjnego równa się iloczynowi sprawności poszczególnych jego elementów: turbina, przekładnia, generator, przekształtnik. Kluczowe znaczenie w ocenie efektywności układu ma nie tyle sprawność dla znamionowych warunków pracy lecz zależność sprawności od zmiennych parametrów (np. mocy elektrowni). Jest to szczególnie ważne w elektrowniach niskospadowych przepływowych, gdzie zmienność parametrów pracy jest duża i może powodować zmniejszenie sprawności układu nawet o kilkadziesiąt procent.
Turbina wodna jest podstawowym elementem układu natomiast jej sprawność zależy od wielu parametrów (hydrologicznych, wymiarów, warunków pracy itp.) i jej omówienie wymaga oddzielnego opracowania. Przedstawione porównanie nie uwzględnia turbiny i dotyczy sprawności przetwarzania energii mechanicznej z turbiny na energię elektryczną oddawaną do sieci.
Przekładnia
W elektrowniach wodnych wykorzystywane są zarówno przekładnie pasowe (płaskie i klinowe) jak i zębate. Wybór podyktowany jest zazwyczaj kosztami, gabarytami i stopniem przełożenia. Sprawność przekładni stosowanych w MEW mieści się w zakresie 92 – 97% i zależy od typu przekładni, stopnia przełożenia, parametrów pracy (prędkość i moment) oraz od stanu technicznego przekładni.
Generator
Sprawność generatora zależy od typu (indukcyjny czy synchroniczny), parametrów znamionowych (prędkości, mocy) oraz od warunków jego pracy (prędkość i moment). Dla generatorów indukcyjnych sprawność znamionowa wynosi pomiędzy 92% (dla niskich prędkości ≤ 750 i małej mocy ≤ 75 kW) a 96% (dla wysokich prędkości ≥ 1500 obr/min i dużych mocy ≥ 160 kW). W przypadku generatorów synchronicznych (PMSG) sprawność 97% uzyskiwana jest dla bardzo niskich prędkości ⁓ 200 obr/min. Dodatkowym atutem PMSG jest wyższa sprawność dla zmiennych warunków pracy.
Przekształtnik
Znamionowa sprawność przekształtników jest wysoka i wynosi ok 97-98%. Spadek sprawności dla zmian obciążenia i prędkości nie jest znaczący i może wynieść 4-5% dla mocy ⁓ 20% mocy znamionowej.
Podsumowanie
Mnożąc sprawności poszczególnych elementów uzyskujemy sprawność całkowitą układu generacyjnego. Poniżej przedstawione jest porównanie sprawności dla trzech układów generacyjnych:
Generator synchroniczny z
magnesami trwałymi
(PMSG)
Najwyższa sprawność maksymalna (⁓ 95%),
najmniejsza strata sprawności przy mniejszych mocach (87% dla 20% P).
Generator
indukcyjny z
przekładnią mechaniczną
Sprawność maksymalna (⁓ 93%) osiągana jest dla 70% mocy, duża strata sprawności dla mniejszych mocy (76% dla 20% P).
Generator indukcyjny klatkowy z przekształtnikiem i przekładnią
Najniższa sprawność maksymalna (91%), największy spadek sprawności dla mniejszych mocy (72% dla 20% P).
Powyższe porównanie ma charakter przybliżony. Dokładna analiza sprawności układu generacyjnego powinna uwzględniać konkretne parametry elementów układu.
