Pico-hydro Turgo Turbine - Rwanda DIY/de

Eine kostengünstige, selbstgebaute Turgo-Wasserkraftturbine aus Haushaltsesseln, optimiert für eine mechanische Leistung von 1,5 kW bei einem Wirkungsgrad von über 60 %.

Dank eines Stipendiums des UC Davis Blum Center for Developing Economies reiste ein studentisches Team nach Ruanda, um dort Workshops und Machbarkeitsstudien für lokal gefertigte Kleinwasserkraftwerke durchzuführen. Die Reise umfasste die Untersuchung bestehender und potenzieller Wasserkraftstandorte, Dorfworkshops mit partizipativen Design- und Ideenfindungsprozessen zur lokalen Beschaffung von Wasserkraftmaterialien und deren Kosten sowie ein Praktikum für zwei Ingenieurstudenten mit technischer Ausbildung und Kontakten zu Wirtschaft und Verwaltung. Da die hohen Investitionskosten und die geringe Turbineneffizienz die Implementierung von Pico-Wasserkraftanlagen in ländlichen Dörfern behindern, entwickelte, baute und testete das Team eine kostengünstige Pico-Wasserkraftturbine namens Turgo aus Esslöffeln. Die Turgo-Turbine eignet sich besonders für Anwendungen mit hoher Fallhöhe und geringem Durchfluss. Die Optimierung dieser kostengünstigen „Esslöffel“-Turbine erfolgte durch experimentelle Tests von sechs Designparametern: Düsendurchmesser, Eintrittswinkel des Strahls, Anzahl der Löffel, Turbinendrehzahl, Löffelausrichtung und Auftreffpunkt des Strahls. Die Turbine erreichte eine mechanische Leistung von 1,5 kW bei einem Wirkungsgrad von 63 %.

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Kyle Gaiser, Paul Erickson, Pieter Stroeve, Jean-Pierre Delplanque: Eine experimentelle Untersuchung der Auslegungsparameter von Turgo-Piko-Wasserturbinen mittels Response-Surface-Methodik, Renewable Energy, Band 85, Januar 2016, Seiten 406–418, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2015.06.049 . Volltext frei zugänglich .

Millionen netzunabhängiger Haushalte in abgelegenen Gebieten weltweit haben Zugang zu Pico-Wasserkraftanlagen (5 kW oder weniger), deren Nutzung aufgrund prohibitiver Installationskosten ($/kW) jedoch unzureichend ist. Die Turgo-Turbine, eine Impulsturbine, die sich generell für Anwendungen mit mittleren bis hohen Fallhöhen eignet, hat aufgrund ihres Potenzials für solche Standorte in der Forschung erneut an Bedeutung gewonnen. Die veröffentlichte Literatur zur Turgo-Turbine ist jedoch begrenzt und zeigt, dass die aktuelle Theorie und experimentelle Erkenntnisse die Auswirkungen bestimmter Konstruktionsparameter, wie Düsendurchmesser, Eintrittswinkel des Wasserstrahls, Schaufelanzahl und Schaufelgeschwindigkeit, auf den Wirkungsgrad der Turbine nicht ausreichend erklären. In dieser Studie werden diese Parameter in einem dreistufigen zentralen zusammengesetzten Response-Surface-Experiment verwendet. Eine kostengünstige Turgo-Turbine wird aus leicht verfügbaren Materialien gebaut und getestet. Anschließend wird ein Regressionsmodell zweiter Ordnung entwickelt, um ihren Wirkungsgrad in Abhängigkeit von den oben genannten Parametern und deren Wechselwirkungen vorherzusagen. Die Auswirkungen des Schaufelorientierungswinkels und des Auftreffpunkts des Wasserstrahls auf den Wirkungsgrad werden ebenfalls untersucht und experimentell als relativ unbedeutend für die Turbine befunden. Ziel dieser Studie ist die Entwicklung empirischer Konstruktionsrichtlinien, die es Herstellern kleiner Wasserkraftanlagen und Privatpersonen ermöglichen, kostengünstige und effiziente Turgo-Turbinen zu konstruieren, die optimal an den jeweiligen Standort eines Pico-Wasserkraftwerks angepasst werden können. Die Ergebnisse werden zudem in dimensionslosen Parametern dargestellt, um eine mögliche Skalierung auf größere Systeme und Hersteller zu ermöglichen.

• Eine Pico-Hydro-Turbine namens Turgo Turbine wurde aus Haushaltsmaterialien zu Kosten von 30 US-Dollar gebaut.
• Der Einfluss von Strahlwinkel, Schaufelanzahl, Düsendurchmesser und Drehzahl auf den Wirkungsgrad wurde experimentell ermittelt.
• Empirische Formeln ermöglichen eine optimierte Turbinenkonstruktion für jede gegebene Fallhöhe und Durchflussmenge und erreichen einen mechanischen Wirkungsgrad von 62%.
• Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass alle Parameter signifikante Haupteffekte zweiter Ordnung und Wechselwirkungen aufweisen.
• Die optimalen Parameter waren: 35° Düsenwinkel, Verhältnis Düsendurchmesser zu Schaufelabstand = 0,94 und Geschwindigkeitsverhältnis von 0,43.

Selbstgemachtes; Kleinwasserkraftwerk; Turgo-Turbine; Wasserkraft; Optimierung

• Selbstgebaute Turgo-Turbine
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  Turgo-Turbine aus Esslöffeln.
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  In Experimenten wurden die optimale Anzahl der Löffel, die Löffelausrichtung, der Düsendurchmesser, der Düsenwinkel und die Turbinendrehzahl ermittelt.
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  Die selbstgebaute Turgo-Turbine erreichte einen mechanischen Wirkungsgrad von 62 %.
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  Die örtliche ruandische Gemeinde, die uns bei der Erkundung eines potenziellen Wasserkraftstandorts geholfen hat.
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  Lokal gefertigte Pico-Wasserturbine.
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  Dorfworkshop zum Sammeln von Ideen, wie man Teile für ein Pico-Wasserkraftsystem lokal beschaffen kann.
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  Bei der Erkundung eines Wasserkraftwerksstandorts musste man sich mit Hilfsmitteln (wie Kanistern und Bananenblättern) behelfen, um den Wasserdurchfluss zu messen.

• http://blumcenter.ucdavis.edu/grants/past-grantees/2011-2012/grantee-profile-picohydro-in-rwanda
• http://web.archive.org/web/20150905081348/http://smallhydro.ucdavis.edu/featured-project/78/