Zastosowanie prądnic z magnesami trwałymi do budowy mikroturbogeneratorów ORC

• Autorzy: Kaczmarczyk T. Z. , Żywica G. , Klonowicz P.

Warianty tytułu

EN

Application of permanent magnet generators for the construction of ORC microturbogenerators

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy omówiono zagadnienia związane z projektowaniem nowego typu maszyn elektrycznych dedykowanych do pracy w układach kogeneracyjnych małej mocy. Do konwersji ciepła odpadowego ze spalania biomasy na energię elektryczną zastosowano mikroturbogenerator zasilany parą czynnika niskowrzącego HFE7100. Wysokoobrotowy turbogenerator o mocy nominalnej 2,5 kWe pracuje w obiegu ORC, który oprócz energii elektrycznej umożliwia produkcję energii cieplnej na poziomie 20 kW. Do budowy wirnikowej maszyny ekspansyjnej zastosowano trójfazowy, synchroniczny silnik z magnesami trwałymi o maksymalnej prędkości obrotowej 80000 obr/min. Zaprojektowany i zbudowany mikroturbogenerator jest hermetyczny i posiada bezolejowy system łożyskowania. Ponieważ elementy generatora elektrycznego pracują w podwyższonych temperaturach, w artykule poruszono zagadnienia związane z wymaganiami stosowania zewnętrznego układu chłodzenia. W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań mikroturbogeneratora parowego pracującego w instalacji ORC z czynnikiem niskowrzącym. Zamieszczono charakterystyki cieplno–przepływowe instalacji oraz omówiono warunki termodynamiczne jakie winny być spełnione podczas pracy ekspanderów parowych. Przedstawiono potencjalne zastosowanie małych kogeneratorów ORC z mikroturbinami parowymi w budowie układów elektroenergetycznych bazujących na OZE i cieple odpadowym.

EN

The article discusses issues related to the design of the new type of electric machines intended for operation in low power cogeneration systems. For the conversion of waste heat (coming from biomass combustion) to electricity, a microturbogenerator powered by a low-boiling medium’s vapour (HFE7100) was used. The high-speed turbogenerator with a nominal power of 2.5 kWe works in the ORC system which, in addition to generating electricity, enables heat production of 20 kW. A three-phase synchronous permanent magnet motor, with a maximum rotational speed of 80,000 rpm, is an integral part of the developed expansion machine. The designed and manufactured microturbogenerator has a hermetic structure and is equipped with an oil-free bearing system. Since some elements of the electric generator must be able to operate at elevated temperatures, this article raises issues related to the use of an external cooling system. This paper reports selected results from studies of the vapour microturbogenerator that operated in the ORC installation with HFE7100 as the working fluid. Thermal and flow characteristics of the installation are presented as well. Furthermore, thermodynamic conditions that should be met during operation of the vapour expanders are discussed. It was shown that small ORC cogeneration systems with vapour microturbines could be successfully applied in the construction of electricity systems that utilise renewable energy sources and waste heat.

Słowa kluczowe

PL

mikroturbogenerator; organiczny obieg Rankina; silnik z magnesami trwałymi; HFE7100

EN

microturbogenerator; organic Rankine cycle; permanent magnet motor; HFE7100

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Górnośląski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe
• Rocznik: 2018
• Tom: Nr 2 (118)
• Strony: 79--85
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Kaczmarczyk T. Z.

• Instytut Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk, Zakład Dynamiki i Diagnostyki Turbin, 80-231 Gdańsk, ul. Fiszera 14

autor

Żywica G.

• Instytut Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk, Zakład Dynamiki i Diagnostyki Turbin, 80-231 Gdańsk, ul. Fiszera 14

autor

Klonowicz P.

• Instytut Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk, Zakład Turbin, 80-231 Gdańsk, ul. Fiszera 14

Bibliografia

• [1]. Dyrektywa parlamentu europejskiego i rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/we oraz 2003/30/WE.
• [2]. L. Janeiro, G. Resch "Prognoza realizacji celu OZE 2020 dla Polski – Raport końcowy", ECOFYS Germany GmbH, Albrechtstraße 10c, 10117 Berlin, str.0-34, 9 marca 2017.
• [3]. J. Bao, L. Zhao "A review of working fluid and expander selections for organic Rankine cycle", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 24, str. 325–342, 2013.
• [4]. G. Żywica, T. Z. Kaczmarczyk, E. Ihnatowicz, "A review of expanders for power generation in small-scale organic Rankine cycle systems: Performance and operational aspects", Proc IMechEPart A: J Power and Energy, vol. 230(7), str. 669-684, 2016.
• [5]. T. Z. Kaczmarczyk, G. Żywica, E. Ihnatowicz, "Vibroacoustic diagnostics of a radial microturbine and a scroll expander operating in the organic Rankine cycle installation", Journal of Vibroengineering, vol. 18, Issue 6, str. 4130-4147, 2016.
• [6]. A. Woźny, D. Dobosz, A. Pacana "Wpływ hałasu na jakość pracy", Humanities and Social Sciences, vol. XIX, 21, str. 251-258, 2014.
• [7]. J. Luomi, C. Zwyssig, A. Looser, J. W. Kolar, "Efficiency optimization of a 100-W, 500 000-rpm permanent-magnet machine including air friction losses", Proc. IEEE Ind. Appl. Conf. 2007, New Orleans, LA, str. 861–868, 2007.
• [8]. C. Zwyssig, J. W. Kolar, and S. D. Round, “Megaspeed drive systems: Pushing beyond: 1 million r/min,” IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, vol. 14, no. 5, str. 564-574, 2009.
• [9]. T. Z. Kaczmarczyk, G. Żywica, E. Ihnatowicz "The impact of changes in the geometry of a radial microturbine stage on the efficiency of the micro CHP plant based on ORC", Energy, vol. 137, str. 530-543, 2017.
• [10]. E. Król "Silniki z magnesami trwałymi oraz silniki indukcyjne – czynniki obniżające sprawność", Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, Nr 80, str. 223-226, 2008.
• [11]. T. Z. Kaczmarczyk, G. Żywica, E. Ihnatowicz, M. Lubieniecki, J. Roemer, "Preliminary Investigation of the Energy Harvesting System Intended for use on an ORC Microturbine", VIII ECCOMAS Thematic Conference on Smart Structures and Materials, SMART 2017, str. 674-685, 2017.
• [12]. A. Timofiejczuk, "Metoda badania maszyn wirnikowych w warunkach rozruchu, rozbiegu i wybiegu", Zeszyty Naukowe. Mechanika/Politechnika Śląska, z. 133, str. 1-145, 1999.
• [13]. J. Rybczyński, "Charakterystyki wybiegowe turbozespołu wyrażone kaskadowymi wykresami drgań w obecności defektu rozosiowania łożysk", Diagnostyka, vol. 35, str. 77-84, 2005.
• [14]. A. Uklański, "Badania przebiegu zatrzymania turbin parowych", Biuletyn Informacyjny Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, Nr 69, str. 49-59, 1986.
• [15]. T. Z. Kaczmarczyk, E. Ihnatowicz, S. Bykuć, Żywica G., Z. Kozanecki, "Initial experimental investigation of the ORC system in a cogenerative domestic power plant with a microturbine", 8th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics, June 16-20, 2013, Lisbon, Portugal.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).