OZE – mała energetyka wodna. Prąd ze spadu

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Często w przeszłości dostęp do energii płynącej wody (w postaci potoku lub rzeki) przesądzał o zagospodarowaniu terenów i rozwoju gospodarczym. Przykładem z dawnych wieków może być tutaj Potok Oliwski, który przyczynił się do powstania i rozwoju Oliwy. Jako pierwsi jego możliwości wykorzystali zakonnicy z Zakonu Cystersów, którzy byli w Europie prekursorami rozwoju gospodarczego w oparciu o wykorzystanie energii wodnej. W czasach świetności na niewielkim potoku o długości ok. 10 km i łącznym spadku ok. 140 m oraz jego dopływach funkcjonowały dwadzieścia cztery różnego rodzaju zakłady i młyny wykorzystujące energię wody do napędu urządzeń produkcyjnych. Obecnie energia wodna jest wykorzystywana głównie do produkcji energii elektrycznej. Pierwsze elektrownie wodne powstały w drugiej połowie XIX wieku.

Energię wód można ogólnie podzielić na energię wód śródlądowych oraz energię mórz. Powstanie energii wód śródlądowych związane jest z cyklem krążenia wody w przyrodzie. Hydroenergetyka śródlądowa opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie mierzonym różnicą poziomów wody „górnej” i „dolnej”. Podobnie w hydroenergetyce morskiej pływowej energia wód zależy od ich ilości oraz różnic poziomów między górnym i dolnym źródłem, w tym jednak przypadku różnica tych poziomów spowodowana jest zjawiskiem pływów. Innym rodzajem energii możliwej do otrzymania z mórz jest energia falowania. Jako elementy napędzające generatory służą wtedy ogromne pływające boje poruszające się w górę i w dół w rytm nadpływających fal.

Moc elektrowni wodnych śródlądowych P(W) określa się prostym wzorem:

P = V * r * g * Hu * he,  gdzie:

V – objętość wody przepływającej przez turbinę [m3/s], g – przyspieszenie ziemskie, ρ – gęstość wody, Hu – spad użyteczny (wykorzystany), uwzględniający straty spadku ΔHs w zbiorniku i przewodach doprowadzających wodę do turbiny, ηe – sprawność całkowita elektrowni (turbiny i generatora).

Z podanego wzoru wynika, że warunkiem pozyskania energii potencjalnej wody do napędu silników wodnych jest istnienie w określonym miejscu znacznego spadku dużej ilości wody, jak również wykorzystanie do jej przetworzenia na energię elektryczną turbin o jak największej sprawności.

Najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem byłoby wykorzystanie do pozyskania energii z wód naturalnych spiętrzeń na dużych ciekach wodnych, lecz niestety takie miejsca w warunkach typowo nizinnej Polski występują rzadko (większość z nich jest już wykorzystana). Najczęściej stosowany sposób wytwarzania spadku wody polega na podniesieniu jej poziomu w rzece lub jeziorze za pomocą jazu, czyli konstrukcji piętrzącej wodę w korycie rzeki lub zapory wodnej piętrzącej wodę w dolinie rzeki. W przypadku elektrowni wodnej przepływowej – jej moc zależy głównie od chwilowego przepływu (dopływu) wody, natomiast elektrownia wodna zbiornikowa może wytwarzać przez pewien czas moc większą od mocy odpowiadającej przepływowi wody w rzece. Zbiornik może także zapewnić wyrównanie poziomu przepływów wody.

Dla Polski dominujące znaczenie hydroenergetyczne mają Wisła i Dunajec, jednakże w ostatnich czasach coraz większą uwagę poświęca się wykorzystaniu niewielkich cieków wodnych przez budowę tzw. małych elektrowni wodnych.

W Polsce pracuje obecnie ok. 126 elektrowni wodnych zawodowych oraz ok. 450 małych, prywatnych minielektrowni, w większości reaktywowanych w ostatnich latach. Warto wspomnieć, że w wyniku przeprowadzonej na terenie Polski w 1954 roku inwentaryzacji obiektów napędzanych siłą wodną stwierdzono istnienie około 6330 takich obiektów czynnych oraz 800 obiektów nieczynnych.

Turbiny Podstawowym elementem siłowni wodnych jest turbina wodna, która przekształca energię potencjalną i kinetyczną wody na energię mechaniczną służącą do napędu różnych urządzeń przemysłowych, a obecnie głównie generatorów energii elektrycznej.

Jednym z najstarszych tego typu urządzeń są koła wodne. Można je podzielić na dwa podstawowe typy: koło podsiębierne, gdy łopatki koła wodnego były napędzane strumieniem wody przepływającym w korycie pod kołem, oraz koło nasiębierne, gdy strumień wody opadał na koło wodne i napełniając odpowiednie przegrody, powodował jego obrót. Dalszy rozwój silników wodnych jest już ściśle związany z turbinami wodnymi. Pierwsze nowoczesne turbiny wodne zostały opracowane na początku XIX wieku w oparciu o prace teoretyczne D. Bernoulliego i L. Eulera. Jednym z pierwszych nowoczesnych rozwiązań, które znalazło zastosowanie w przemyśle, była turbina B. Fourneyrona (1827 r.) z promieniowym przepływem wody. W wyniku dalszych badań powstały rozwiązania turbin, które z niewielkimi zmianami i udoskonaleniami wykorzystywane są do dzisiaj. Podstawowy podział turbin wynika z zastosowanej w nich zasady wykorzystania energii wody – energii potencjalnej i energii kinetycznej:

  • Turbiny akcyjne (natryskowe) – turbina Peltona, Banki-Michella – w których woda zostaje doprowadzona do wirnika pod ciśnieniem atmosferycznym. W takich turbinach wykorzystana zostaje energia kinetyczna wody. W turbinie akcyjnej energia ciśnienia wody na wlocie do turbiny zamieniana jest w dyszy na energię prędkości, która następnie jest przenoszona na wirnik, gdzie następuje zamiana energii kinetycznej wody na energię mechaniczną.

Typowym przykładem takiej turbiny jest turbina Peltona. Turbinę Peltona stosuje się do najwyższych spadów, osiągających wartość nawet do 1000-1500 m. Turbina wyposażona jest w podwójne czarki na obwodzie, które pełnią rolę łopatek. Rurociągiem ciśnieniowym woda doprowadzana jest do dyszy turbiny. Płynna regulacja mocy dokonywana jest poprzez zmianę położenia iglicy w dyszy.

Turbina Banki-Michella jest akcyjną turbiną przepływową z szerokim strumieniem wody o przekroju prostokątnym, który przepływa dwukrotnie przez palisadę łopatkową wirnika. Wirnik zasilany jest poprzez odpowiednio wyprofilowaną 1-łopatkową kierownicę. W części konstrukcji turbin wprowadzono podział wirnika i kierownicy na dwie części: wąską w proporcji 1/3 długości i szeroką w proporcji 2/3 długości. Poprzez ten podział dostosowano turbiny do trzech różnych natężeń przepływu. Turbiny są turbinami stosowanymi na spady od 2 do 50 m i używa się ich w małych elektrowniach wodnych.

  • Turbiny reakcyjne (naporowe) – turbina Kaplana, Francisa, Deriaza – w których woda zostaje doprowadzona do wirnika pod ciśnieniem wyższym niż ciśnienie atmosferyczne. Turbiny reakcyjne wykorzystują energię ciśnienia wody oraz energię kinetyczną. W turbinie reakcyjnej ciśnienie wody na wlocie do turbiny zamieniane jest w kierownicy jedynie w pewnej części na prędkość. W wirniku następują obniżenia ciśnienia oraz prędkości związane z zamianą energii ciśnienia i energii kinetycznej wody na energię mechaniczną.

    Turbiny reakcyjne możemy podzielić również ze względu na przepływ wody przez wirnik na turbiny:

    • promieniowe (wolnobieżne turbiny Francisa),
    • promieniowo-osiowe zwane diagonalnymi (szybkobieżne turbiny Francisa i Deriaza),
    • turbiny osiowe (Kaplana i śmigłowe).
  • Turbiny Kaplana są stosowane na niskie spady. Są to turbiny śmigłowe z nastawnymi łopatkami, dzięki czemu praca turbiny może być łatwo dostosowana do zmiennych przepływów z zachowaniem praktycznie niezmienionej sprawności. Turbiny Kaplana w układzie poziomym lub ukośnym w obudowie rurowej nazywamy turbinami rurowymi. Układ rurowy w stosunku do klasycznego umożliwia uproszczenie konstrukcji i obniżenie kosztów wykonania zarówno turbozespołu, jak i betonowego bloku elektrowni. Turbiny rurowe są stosowane przy małych spadach. Turbina jest tu często sprzęgana z prądnicą za pośrednictwem przekładni. Wobec swoich zalet nadają się do wykorzystania w małych elektrowniach wodnych, co nadaje im szczególne znaczenie w warunkach krajowych.
  • Turbina Francisa należy do turbin reakcyjnych, o dopływie dośrodkowym, promieniowym. Średnice wirników turbin Francisa wynoszą 0,25÷10 m, moc przekracza niekiedy 100 MW, a ich sprawność dochodzi do η0 = 0,94. Zależnie od wysokości rozporządzalnego spadu, turbiny Francisa mogą być wyposażone w wirniki o różnych wyróżnikach szybkobieżności ns. Zasada działania turbiny Francisa jest następująca. Woda płynąca przez kierownicę uzyskuje właściwy kierunek w stosunku do łopatek wirnika, a jednocześnie zwiększa się jej prędkość przepływu, co jest spowodowane tym, że pole przepływu po obwodzie wewnętrznym kierownicy jest mniejsze niż pole przepływu po jego obwodzie zewnętrznym. Część energii statycznej ciśnienia wody zostaje przy tym przetworzona w kierownicy na energię ruchu. Pozostała część energii statycznej ciśnienia wody przetwarza się w wirniku. Z tego powodu turbiny reakcyjne nazywane są również turbinami nadciśnieniowymi. W wirniku energia statyczna ciśnienia wody zostaje bezpośrednio przetworzona na pracę mechaniczną wskutek sił reakcji hydrodynamicznej, działających na łopatki wirnika, wywołanych naporem strugi wody przepływającej przez kanały łopatek wirnika. Jest to zjawisko, które powstaje w dyszy, w której wypływający strumień wody działa na dyszę siłami reakcji, skierowanymi przeciwnie do kierunku wypływu strumienia.

Łopatki kierownicy mogą być obracane wokół swych osi, dając w różnych położeniach odmienne wartości strumienia wody i różne kierunki jej przepływu. Wirnik turbiny Francisa składa się z łopatek wykonanych z blachy stalowej, osadzonych w dwóch staliwnych lub żeliwnych wieńcach. Wieniec górny wraz z piastą osadzony jest na wale. Łopatki wirnika są zakrzywione przestrzennie. Do zalet turbin Francisa należy możliwość wykonywania ich w różnych układach konstrukcyjnych, dostosowanych do warunków miejscowych. Przy spadach mniejszych od 2 m stosuje się zawsze turbiny o wale pionowym, zaś przy spadach większych niż 2 m – o wale poziomym lub pionowym.

  • Turbina Deriaza jest znacznie bardziej skomplikowana niż turbina Francisa, gdyż jej łopatki są przestawialne. Stosuje się w niej kierownice promieniowe, a także ukośne. Zakres spadów przewyższa turbiny Kaplana i przekracza 100 m. Turbiny Deriaza są odwracalne i przy odpowiedniej konstrukcji mogą pracować jako pompy, co jest wykorzystywane w elektrowniach szczytowo-pompowych.

W małej energetyce wodnej stosowane są wszystkie rodzaje turbin wodnych. W Polsce, w mikroelektrowniach wodnych, ze względu na niskie spady, wykorzystywane są turbiny reakcyjne (Francisa, Kaplana, Semi-Kaplana i śmigłowe) i rzadko akcyjno-reakcyjne (Michella-Banki), bądź w szczególnych przypadkach pompy w ruchu turbinowym.

Jarosław Pomirski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij