Budowa elektrowni wodnej

Elektrownia wodna (hydroelektrownia) to zakład przetwarzający energię kinetyczną wody na energię elektryczną.

Zapora

Nie jest niezbędna we wszystkich rodzajach hydroelektrowni, większość elektrowni wodnych posiada jednak zapory. Ta przegradzająca dolinę rzeki i spiętrzająca jej wody budowla może zostać wzniesiona w rozmaitych celach: dla utworzenia zbiornika rekreacyjnego, stawu hodowlanego, zbiornika przeciwpowodziowego, po to by zapewnić zaopatrzenie w wodę lub by nawadniać uprawy. Wiele zapór miało służyć innym celom niż produkcja elektryczności, zaś elektrownie wodne dobudowano do nich dopiero później. Przykładem może być 80 tys. zapór w Stanach Zjednoczonych, spośród których tylko 2400 służy produkcji energii elektrycznej.

Buduje się zapory ziemne, betonowe i – najrzadziej – kamienne. W Polsce najbardziej rozpowszechnione są zapory betonowe. Część zapory stanowią regulujące przepływ wody przelewy, umożliwiające żeglugę śluzy, przepusty, pozwalające przepływać tratwom i przepławki, dzięki którym ryby mogą wędrować w górę rzeki. W Polsce istnieje obecnie ponad 30 zapór o wysokości przekraczającej 200 m., ponieważ jednak wysokie zapory mają niekorzystny wpływ na środowisko, coraz częściej rezygnuje się z nich na rzecz zapór mniejszych.
Nie każda hydroelektrownia wyposażona jest w zaporę, częścią każdej jest jednak sprzęgnięta z generatorem energii elektrycznej turbina wodna.

Turbina wodna

Zwana jest też silnikiem wodnym rotodynamicznym bądź też turbiną hydrauliczną. Turbina wodna to silnik, przetwarzający mechaniczną energię przepływającej przezeń wody na użyteczną pracę mechaniczną. W zależności od kierunku przepływu wody wyróżnia się turbiny wodne osiowe, diagonalne (skośne), promieniowe i styczne, zaś ze względu na przetwarzanie energii turbiny dzieli się na akcyjne, przetwarzające tylko energię kinetyczną wody i reakcyjne, które poza energią kinetyczną przetwarzają także energię ciśnienia. Wybór odpowiedniej turbiny zależy od wysokości spadu i ilości wody, którą dysponuje dana elektrownia.

Turbiny akcyjne są zazwyczaj stosowane w elektrowniach o wysokim spadzie, przykładem może być używana w rzadko występujących w Polsce elektrowniach o najwyższym spadzie turbina Peltona. Dla niższych spadów odpowiedniejsze są turbiny reakcyjne, na przykład najpopularniejsza i najstarsza turbina Francisa, która znajduje zastosowanie w elektrowniach o średnio wysokim spadzie (od kilkunastu do kilkuset metrów) czy wyposażona w ruchome łopatki, skomplikowana turbina Kaplana, używana przy spadach niskich (do kilkunastu metrów).

Generator

Turbina wodna zamienia energię kinetyczną na mechaniczną, zaś połączony z turbiną generator z energii mechanicznej wytwarza – czyli generuje - energię elektryczną. Praca generatora, zwanego także prądnicą opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej odkrytym w 1831 roku przez brytyjskiego uczonego Michaela Faradaya, który zaobserwował, że przez poruszający się w obrębie pola elektromagnetycznego przewodnik elektryczny - na przykład miedziany drut – zaczyna przepływać prąd. Tak jest też w generatorze, w którego ruchomej części zwanej wirnikiem znajdują się przewody elektryczne, obracające się na wytwarzającej silne pole elektromagnetyczne żelaznej ramie. Wirnik jest wprawiany w ruch przy pomocy turbiny, poruszającej się z kolei dzięki energii kinetycznej spadającej wody.

Linie przesyłowe

Wyprodukowaną w elektrowni energię elektryczną transmitują na miejsce odbioru linie przesyłowe. Elektryczność nie trafia jednak do naszych domów i zakładów pracy bezpośrednio z miejsca produkcji, prąd ma bowiem niekiedy zbyt niskie napięcie, by można go było efektywnie przesyłać na dalekie dystanse. Podczas transmisji część energii elektrycznej przekształca się w ciepło i jest tym samym tracona, straty są zaś tym większe, im większy jest ładunek elektryczny prądu. By zminimalizować straty energii, elektryczność kieruje się najpierw do stacji transformatorów, które odpowiednio zwiększają jej napięcie. Ponieważ moc jest wynikiem pomnożenia napięcia przez ładunek elektryczny, a straty energii związane są właśnie z ładunkiem, opłaca się transmitować prąd o niższym ładunku i o wyższym napięciu. Taki prąd nie nadaje się jednak do użytku i dlatego nim zostanie rozdystrybuowany, jego napięcie musi zostać odpowiednio obniżone w stacjach przekaźnikowych.

WIKIPEDIA

Elektrownia wodna to zakład przemysłowy zamieniający energię spadku wody na elektryczną.

Elektrownie wodne dzieli się na: "duże" i "małe", przyjmując, że małe elektrownie wodne (określane skrótem MEW) to te o mocy poniżej 5 MW. Podział ten jest dość umowny (w Skandynawii i Szwajcarii granicą są 2 MW, a w USA 15 MW), ale dość ważny, gdyż MEW są zaliczane do niekonwencjonalnych, odnawialnych i ekologicznych źródeł energii. Natomiast duże elektrownie wodne są tak na świecie rozpowszechnione (20% światowej produkcji energii elektrycznej), że traktowane są często jako konwencjonalne źródło energii, a duży stopień ingerencji w środowisko naturalne powstrzymuje wielu badaczy od nazywania dużych elektrowni wodnych ekologicznymi. Wątpliwości te nie dotyczą małych elektrowni wodnych, których wpływ na środowisko jest znikomy.

Elektrownie wodne można podzielić na elektrownie przepływowe produkujące energię elektryczną oraz elektrownie szczytowo-pompowe, które służą głównie do magazynowania energii elektrycznej wyprodukowanej w inny sposób.

Pierwsza elektrownia wodna została zbudowana w 1882 roku w Appleton (Wisconsin) (USA) na rzece Fox. Dostarczała ona energię do fabryki produkującej papier. Było to dwa lata po pokazie, na którym Thomas Edison po raz pierwszy zademonstrował publicznie wytwarzanie światła elektrycznego.

Elektrownia wodna przepływowa - zakład przemysłowy, którego zadaniem jest wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą turbin znajdujących się w kanałach derywacyjnych.

Elektrownia szczytowo-pompowa - zakład przemysłowy, którego zadaniem jest przemiana energii elektrycznej w energię grawitacyjną wody pompowanej do górnego zbiornika oraz proces odwrotny.

W elektrowni szczytowo pompowej zamienia się energię elektryczną na energię potencjalną grawitacji poprzez wpompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego w okresie nadwyżki produkcji nad zapotrzebowaniem na energię elektryczną (np. w nocy), a następnie, w godzinach szczytu, następuje odwrócenie procesu.

Na tym też opiera się ekonomika działania tych elektrowni. Energia elektryczna jest skupowana w okresie kiedy jest najtańsza, a oddawana do systemu (sprzedawana) w okresie najwyższego zapotrzebowania i za wysoką cenę.

Elektrownia taka wbrew nazwie nie produkuje sumarycznie prądu, co więcej, sporo (prawie 30%) energii elektrycznej jest w tym procesie tracone. Jest ona za to bardzo skutecznym akumulatorem o ogromnej pojemności.

Stosowanie elektrowni szczytowo pompowych ma sens jedynie w połączeniu z elektrowniami, w których występują okresowe nadwyżki energii spowodowane niemożliwością szybkiego dostosowania ilości wytwarzanej energii elektrycznej do bieżącego zapotrzebowania (zwłaszcza w elektrowniach cieplnych opalanych węglem). Nadwyżka mocy, która musi być utrzymywana w porze nocnej, przepadłaby bezpowrotnie, gdyby nie została zmagazynowana przez elektrownie szczytowo pompowe w energii potencjalnej wody. Alternatywą dla elektrowni szczytowo-pompowych jest CAES.

Polskie elektrownie szczytowo-pompowe:

• Elektrownia Żarnowiec - 716 MW (największa w Polsce)

• Elektrownia Porąbka-Żar - 500 MW

• Zespół Elektrowni Wodnych Solina - Myczkowce - moc 200 MW po modernizacji 2000-2003, przed modernizacją 136 MW

• Elektrownia Żydowo - 156 MW (pierwsza w Polsce)

• Elektrownia Czorsztyn-Niedzica-Sromowce Wyżne - 94,6 MW

• Elektrownia Dychów - o mocy 90 MW (do września 2005 - 79,3 MW)

TURBINY

Turbina wodna (turbina hydrauliczna) - silnik wodny przetwarzający energię mechaniczną wody na ruch obrotowy za pomocą wirnika z łopatkami. Stosowana głównie w elektrowniach wodnych do napędu prądnic. Zalicza się do: silników hydrokinetycznych; silników przepływowych.

Turbiny wodne dzielimy na:

• akcyjne

  • turbina Peltona, w której wirnik z wklęsłymi łopatkami zasilany jest stycznie strumieniem wody z dyszy; stosowana przy dużych spadkach.

• reakcyjne

  • turbina Francisa - dla średnich spadków

  • turbina Kaplana, turbina śmigłowa - dla małych spadków

  • turbina Tesli, turbina talerzowa - szczególny przypadek turbiny hydraulicznej

Poprzednikiem i wzorem dla turbin wodnych było koło wodne. Pierwszą turbinę skonstruował B. Fourneyron w 1827, jednak dopiero późniejsze udoskonalenia pozwoliły na jej przemysłowe wykorzystanie. W 1849 powstała turbina Francisa, w 1880 turbina Peltona, a w 1912 turbina Kaplana.

Pierwszą elektrownią wodną na ziemiach polskich była uruchomiona w 1896 roku elektrownia Struga na rzece Słupi. Wyposażono ją w turbinę Francisa o mocy 250 kW. Oprócz tego przed II wojną światową zabudowano energetycznie inne rzeki Pomorza: Brdę, Wdę, Radunię, Słupię, Łupawę, Wierzycę i Wieprzę. Większość tych urządzeń pracuje do dziś.

Turbina Peltona (1880) jest rozwinięciem “koła natryskowego”, w którym łopatki są ustawione pod kątem 90 stopnii do strumienia wody, a protoplastą dla obydwu jest koło młyńskie.

Turbiny systemu Peltona stosuje się dla spadków H>500 m, w wyjątkowych wypadkach uzasadnionych konstrukcyjnie zamiast turbin Francisa od H=100m (w pewnych warunkach dla turbin Francisa dla wyróżników szybkobieżności 2-40 wychodzą bardzo długie kanały dolotowe i duże straty; wtedy uzasadnione jest zastosowanie t. Peltona).

W turbinie Peltona dla zwiększenia sprawności stosuje się zamiast prostych łopatek specjalnie wyprofilowane łopatki na kształt dwóch połączonych czarek (dwie półkoliste sfery), na których strumień wody dużo łagodniej zmienia kierunek. Turbiny Peltona buduje się z wałami poziomymi i pionowymi. Przy wałach poziomych stosuje się max. dwie dysze wylotowe (przy większej ilości ze względu na zderzanie się strumieni z poprzedzającej dyszy moc maleje) a przy wałach pionowych do 6 dysz.

Turbina Francisa — turbina wodna opracowana przez Jamesa Francisa. W turbinie Francisa woda ze zbiornika górnego wpływa całym obwodem na łopatki kierownicze i wówczas przyspiesza, a następnie zasila wirnik roboczy. Po przepłynięciu kanałami między łopatkami w kształcie dysz woda z dużą prędkością opuszcza wirnik i wchodzi do rury ssawnej. Temu procesowi towarzyszy reakcja hydrodynamiczna, która wprowadza wirnik w ruch w kierunku przeciwnym do wylotu wody.

Turbina Kaplana - turbina wodna skonstruowana w 1921 przez Viktora Kaplana.

Turbina Kaplana to odmiana turbiny śmigłowej, czyli takiej której łopatki mają kształt podobny do śrub okrętowych. Jej odmienność polega na możliwości zmiany kąta łopat w czasie pracy, a w efekcie także regulację otrzymywanej mocy i dużo większy zakres wysokich sprawności. Liczba łopat wirnika wynosi od 3 do 10. Turbina ta stosowana jest przy spadach od 1,5 do 80 m - przy większych spadach wykazuje ona mniejszą odporność na kawitację. Maksymalna moc pojedynczej turbiny (dane na 1995) to 130 MW.

Turbina Tesli (turbina talerzowa) - szczególny przypadek turbiny konstrukcji Nikoli Tesli, wykorzystujący zjawisko adhezji do wprowadzania w ruch obrotowy równolegle, w niewielkich - rzędu 0,5 mm - odstępach ustawionych talerzy zamocowanych na osi. Gaz lub ciecz jest wprowadzany przez dyszę ustawioną w płaszczyźnie obrotu talerzy pomiędzy talerze. Talerze mają wokół osi otwory pozwalające na wypływ gazu lub cieczy. Obieg czynnika jest spiralny, zawężający się w kierunku środka.
Turbina dzięki prostej budowie i wykorzystaniu adhezji warstwy przyściennej, a nie sił tarcia, pozwala na osiągnięcie wysokiej sprawności przy niewielkim ciężarze.

Sama turbina jest częścią Silnika Tesli - turbinowego spalinowego silnika pulsacyjnego o kanałach zaworowych bez części ruchomych, również konstrukcji Tesli.

Kanał zaworowy "Valvular Conduit" został opatentowany pod nr US1329559. Silnik Tesli został opatentowany pod nr US1061206

Tesla zbudował kilka działających turbin, ale w owych czasach istniało już silne lobby klasycznych silników tłokowych, do dziś opierające się nowym rozwiązaniom. Pomysł nie znalazł więc uznania wśród ówczesnych i został storpedowany jako wynalazek niedorzeczny.

Turbina Tesli wykorzystana została np. w nuklearnych okrętach podwodnych - przy zasilaniu parą, szybkoobrotowych wiertłach dentystycznych - zasilana sprężonym powietrzem, jako wysokowydajna pompa do cieczy - dzięki odwróceniu przepływu.

Grupy eksperymentatorów np. Tesla Engine Builders Association (http://my.execpc.com/~teba/main.html) Phoenix Turbine Builder (http://www.phoenixnavigation.com/ptbc/home.htm) budują i badają modele turbin.

Silnik Tesli czeka na zastosowanie w motoryzacji - samochodach hybrydowych, co wobec możliwości zasilania go prawie dowolnym paliwem - alkoholem, benzyną, naftą, gazem, etc.

Zasada działania turbiny Tesli jest swoistą rewolucją w mechanice i hydrodynamice.

ZAPORY

Zapora wodna – bariera przegradzająca dolinę rzeki w celu spiętrzenia wody, zwykle betonowa lub żelbetowa.

Zapora wodna może być postawiona dla różnych celów:

• ochrona przeciwpowodziowa

• rezerwuar i pozyskanie wody

• walory rekreacyjne

Różnicę poziomów wody przed i za zaporą wykorzystuje się w elektrowniach wodnych do wytwarzania energii elektrycznej. Zazwyczaj elektrownie takie produkują elektryczność w dzień, gdy zapotrzebowanie na nią jest najwyższe, a w nocy, wykorzystując nadmiar mocy, uzupełniają wodę w zbiorniku pompując ją ze zbiorników u podstawy zapory.

Zaporą wodną nazywamy również sztuczną przeszkodę wodną w postaci zatopionego lub zabagnionego terenu, utrudniająca przemieszczanie się wojsk. Zaporę tego rodzaju tworzy się przez niszczenie: tam, grobli, śluz itp.

Najwyższe zapory wodne w Polsce Rzeka Wysokość zapory (m) Typ zapory Rok uruchomienia Solina San 82 betonowa 1968 Pilchowice Bóbr 69 kamienno-betonowa 1912 Czorsztyn Dunajec 60 ziemna 1997 Świnna Poręba Skawa 50 ziemna nieukończona Rożnów Dunajec 49 betonowa 1941 Leśna Kwisa 45 kamienno-betonowa 1907 Lubachów Bystrzyca 44 kamienna 1917 Dobczyce Raba 41 ziemno-betonowa 1986 Besko Wisłok 38 betonowa 1978 Bukówka Bóbr 38 ziemna 1987

Elektrownia wodna to pułapka, w którą chwyta się część energii uwalnianej przez spływającą wodę. Posłuszna grawitacji, zawsze próbuje spłynąć niżej - fizyk powiedziałby, że ma energię potencjalną. Jeśli na drodze płynącej wody postawi się turbinę, można przechwycić część tej energii. Poruszana przez wodę turbina napędza wówczas generator, a ten wytwarza elektryczność. Ta energia trafia zaś przez sieć energetyczną do domów, żeby na przykład rozświetlić żarówkę. Moc elektrowni zależy przy tym od objętości przepływającej wody oraz wysokości z jakiej spada.

Małe elektrownie - o mocy poniżej 5 megawatów - to przeważnie elektrownie przepływowe (podział ten jest umowny, bo np. w Skandynawii i Szwajcarii małymi elektrowniami nazywa się te poniżej 2 megawatów, a w Stanach Zjednoczonych - poniżej 15). Wody nie gromadzi się tam w dodatkowych zbiornikach, a turbina i generator mieszczą się w korycie rzeki. Natomiast elektrownie zbiornikowe korzystają z wody spiętrzonej przez zaporę (przy okazji stanowią zabezpieczenie przeciwpowodziowe i regulują przepływ, co jest korzystne dla żeglugi). Kiedy potrzeba więcej prądu, wypuszcza się ze zbiornika więcej wody, żeby zwiększyć produkcję energii.

Elektrownie szczytowo-pompowe wykorzystują zaś wodę zgromadzoną w dwóch zbiornikach - górnym i dolnym. Kiedy zapotrzebowanie na prąd jest małe (np. nocą), wodę z dolnego zbiornika pompuje się z powrotem na górę, żeby wypuścić ją w godzinach największego zapotrzebowania. W Polsce najważniejsze elektrownie wodne to: Solina (jest przy okazji tamą, woda pochodzi z rzek San i Solinka), Czorsztyn-Niedzica a także we Włocławku i Żarnowcu.

 

Przepływ wody, a więc i ilość wytwarzanego prądu, reguluje się za pomocą śluz. Woda poruszając łopatki turbiny napędza generator. Ten zaś wytwarza prąd i przesyła go do publicznej sieci energetycznej.