Bezlopatkové turbíny využívající energii vody ve vodovodním řádu (I)

Myšlenka využít energii, která je skryta ve vodovodním řádu (vodovodní síti či vodovodních rozvodech) není rozhodně nová. Už naše majetnější prababičky na přelomu 19. a 20. století usedaly k šicím strojům poháněným vodou z vodovodu. Voda poháněla i brusky, vrtačky a malé stroje všude tam, kde nebyla zavedena elektřina. Zurčení vody uklidňovalo, úkapy nutily k vytírání a udržování čistoty podlah. Těmto idylickým dobám odzvonilo masové zavedení vodoměrů a rozšíření elektrické rozvodné sítě, která nabízela vyšší výkony spolu s dalším využitím (otop, osvětlení), komfortem obsluhy a jednodušší instalací.

Proč se tedy vracet k překonaným řešením?! Právě proto, že elektřina ovládla náš svět natolik, že když se její dodávka přeruší, je to velký problém. Zvláště, když potřebujeme zajistit dlouhodobé záložní napájení u zařízení s malým odběrem, ale velkým významem pro bezpečnost.

Dnes se zajištění záložního napájení řeší dvěma způsoby:

Akumulátorové záložní zdroje

Doba provozu je dána kapacitou akumulátorů (accu) a velikostí odběru. Kapacita akumulátorů je dimenzována pro provoz od jednotek minut (klasické UPS k osobním počítačům, které umožní ukončit práci), až po jednotky hodin (napájení počítačových serverů, zabezpečovacích, přenosových aj. zařízení). Výkon je od jednotek W do desítek kW. Výhodou je možnost okamžité zálohy ve spojení se střídačem. Nevýhodou je nutnost výměny drahých akumulátorů, které časem stárnou a zmenšuje se jejich kapacita.

Motorgenerátory se spalovacími motory

Doba provozu je dána jen kapacitou palivových nádrží (omezená z požárních důvodů). Výkon je od jednotek do stovek kW. Spouštění automatické, u menších jednotek ruční. Nutné stavební úpravy, dodržení požárních předpisů, pravidelná údržba a revize. Velké jednotky jsou téměř rovnocennou náhradou rozvodné sítě. V provozu mohou být, pokud je zajištěna dodávka paliva, i několik dní.

CO NABÍZÍ ZÁLOŽNÍ ZDROJE S BEZLOPATKOVÝMI TURBÍNAMI SETUR?

Základní myšlenkou bylo zjistit, zda lze realizovat záložní zdroj, který splní tyto požadavky:

• pokryjí oblast malých výkonů, od 2 do 200 W
• doba provozu bude limitovaná jen dodávkou vody z vodovodního řádu
• spolehlivý chod při kolísání tlaku ve vodovodním řádu
• investičně přijatelné a provozně vysoce spolehlivé
• nebudou vyžadovat zvláštní stavební úpravy a nebudou náročné na prostor
• budou vyžadovat minimální údržbu jak při provozu, tak mimo něj
• neobsahují komponenty, které podléhají degradaci - stárnutí, jako akumulátory
• instalace a obsluha bude natolik jednoduchá, aby ji zvládnul i laik
• budou vyhovovat ekologickým požadavkům (kontakt s pitnou vodou)

Typické oblasti použití a výkonů na svorkách generátoru vycházely z požadavků potenciálních zákazníků:

a) Max. 200 W - Stabilní zařízení. Napájení jednoho stolního počítače s LCD displejem.

b) Max. 50 W - Stabilní nebo přenosná jednotka. Napájení nouzového osvětlení, notebooku, elektronického zabezpečení budov a bytů (EZ), požární signalizace atd.

c) Max. 5 W - Malá přenosná jednotka. Nouzové napájení a dobíjení malých spotřebičů: mobilních telefonů, vysílaček, svítilen apod.

Uvažovány jsou dva druhy provozu:

• automatické spuštění i odstavení (zejména pro větší výkony)
• manuální obsluha

Při automatickém spuštění dojde k otevření elektroventilu (servoventilu), který uvolní průtok vody z vodovodního řádu do bezlopatkové turbíny. K otevření elektroventilu může dojít:

• okamžitě po výpadku síťového napájení (ventil je v uzavřené poloze držen přítomností síťového napětí)
• po poklesu napětí na záložních akumulátorech zálohovaného zařízení (UPS pro krátkodobý provoz PC, akumulátory zabezpečovacího zařízení atd.). Otevření elektroventilu, případně spuštění zdroje zajistí jednoduchá automatika.

Automatické odstavení může být řešeno:

• ihned po obnovení síťového napájení (případně s nastavenou prodlevou)
• po dobití akumulátorů

Jako modelové příklady využití můžeme uvést:

Elektronická zabezpečovací zařízení bytů a budov (EZ)

V případě, že zloděj chce navštívit takto zabezpečený byt či objekt stačí, aby vytipoval delší nepřítomnost uživatelů (dovolená), vypnul hlavní jistič u bytu nebo vytáhnul pojistky z hlavní rozvodné skříně objektu. Pokud je ústředna elektronického zabezpečení napojena na pult centrální ochrany, nebo je vybavena GSM komunikací, jsou bezpečnostní služba i majitel informováni o výpadku síťového napájení. Napájení po dobu několika hodin či dní zajistí akumulátory. Když se vybijí, je objekt nezajištěný. Pokud se majitel vrátí včas a obnoví síťové napájení, má vyhráno. Pokud ne, vyhrál technicky zdatný a trpělivý zloděj.

Řešení:

Bude instalován záložní zdroj s napájením z vodovodního řádu o výkonu 5 W s automatickým spouštěním v ceně cca 2 500,- Kč. Doba provozu prakticky neomezená.

Napájení jednoho PC nebo notebooku do výkonu 200 W na svorkách generátoru

Vhodné v případě, kdy je požadováno zajištění chodu jednoho PC - serveru po téměř neomezenou dobu. Pro tento případ, že výpadky nejsou časté a obsluha není stále přítomna, může být záložní zdroj s akumulátory neekonomický (velké drahé accu a jejich obměna), motorgenerátor náročný z hlediska stavebních úprav a požárních předpisů.

Řešení:

Bude instalován záložní zdroj s napájením z vodovodního řádu o výkonu 200 W s automatickým spouštěním v ceně cca 25 000,- Kč. Doba provozu prakticky neomezená.

POŽADAVKY NA VODOVODNÍ ŘÁD

Ve všech případech uvažujeme výpadek nebo úplnou absenci elektrické rozvodné sítě a naopak existenci vodovodního řádu o dostatečném tlaku vody (0,15 až 0,6 MPa) a dostatečném průtoku v místě napojení záložního zdroje. Nutno uvažovat, že tlak může kolísat v závislosti na odběru - hydrodynamický tlak.

Nutností je dodávka vody nezávislá na dodávce elektrické energie v místě instalace záložního zdroje. Toto je ve většině případů splněno (gravitační rozvody vody, vodojemy s rezervou vody po dobu výpadku elektrické sítě, čerpadla vodárenských systémů mají zajištěnu zálohovou dodávku energie - vodovodní řád je zdrojem vody v případě požárů). Běžně uvažujeme vodovodní řád na pitnou vodu. Pokud je k dispozici, lze s výhodou využít i rozvod průmyslového vodovodu (nižší vodné a stočné). Možnosti instalace v požadovaném místě je vhodné konzultovat s příslušnou vodárenskou společností.

URČENÍ POTŘEBNÉHO PRŮTOKU V MÍSTĚ INSTALACE

Pro základní určení potřebných parametrů vodovodního řádu budeme vycházet z těchto předpokladů:

• tlak ve vodovodním řádu poklesne při provozu na 0,2 MPa, což odpovídá spádu cca 20 m
• účinnost turbíny i generátoru pro výkony 100 až 200 W bude 60 %, celkem tedy cca 36 %
• účinnost turbíny i generátoru pro výkony 20 až 50 W bude 50 %, celkem tedy cca 25 %
• účinnost turbíny i generátoru pro výkony 2 až 19 W bude 40 %, celkem tedy cca 16 %

Je třeba zdůraznit, že u malých strojů klesá s velikostí i účinnost a uváděné hodnoty jsou zcela běžné a pro daný účel přijatelné.

Potřebný průtok Q (l/s) určíme podle následujícího vzorce:

kde

h	= spád (tlak ve vodovodním řádu) 20 m
η	= celková účinnost soustrojí turbína + generátor
P	= požadovaný výkon na svorkách generátoru (W)

Tedy pro výkony:

100 až 200 W	Q = 1,4 až 2,8 l/s	tj. 5,0 až 10,0 m3/hod
20 až 50 W	Q = 0,4 až 1,0 l/s	tj. 1,5 až 3,6 m3/hod
2 až 19 W	Q = 0,04 až 0,4 l/s	tj. 0,15 až 1,5 m3/hod

Z vypočtených průtoků jsou patrné tyto skutečnosti:

• běžný bytový vodoměr s průtokem 5 m³/hod zajistí za optimálních podmínek výkon záložního zdroje na svorkách generátoru max. 100 W
• výkony 100 až 200 W jsou tedy dosažitelné jen v místech dostatečně dimenzovaných přípojek na vodovodní řád
• pokud bude hydrodynamický tlak v místě instalace vyšší než uvažovaných 0,2 MPa, bude úměrně klesat spotřeba vody
• vlastní provoz je vzhledem k velkým průtokům poměrně nákladný. Je určen aktuální cenou za vodné a stočné v místě instalace.