Elektrownie wodne – energetyka wodna

elektrownia wodna w ŻarnowcuKolejnym odnawialnym źródłem do wytwarzania energii elektrycznej jest woda. Elektrownie wodne przez człowieka wykorzystywane były od wieków. Jak to wszystko działa i czym się charakteryzuje? O tym poczytacie w naszych artykułach dotyczących energetyki wodnej. Zapraszamy!

Czym jest elektrownia wodna?

Elektrownia wodna jest urządzeniem zamieniającym energię płynącej wody w energię elektryczną. Pierwowzory dostarczały tylko energii mechanicznej. Używane były już… w okresie rzymskim do przemiału zboża lub oliwek. Później zaczęto je stosować także do napędzania maszyn rozdrabniających drewno w papierniach oraz do jego cięcia w tartakach. W porównaniu z protoplastami, elektrownia wodna jest urządzeniem doskonałym! Wytworzona przez nią energia może być magazynowana, przesyłana na duże odległości.

W Polsce zachowały się, lub zostały zrewitalizowane, młyny wodne. Gdy patrzymy na takie urządzenie (i widzimy w nim elektrownię wodnę), zastanawiamy się jakiej mocy może dostarczyć. Moc młyna wodnego zależała od środków technicznych, poziomu sztuki inżynierskiej oraz konserwacji. Oscylowała ona w zakresie od 2,2 kW do 3,6 kW. Wystarczała ona do poruszania kamieni młyńskich, które mieliły od 150 do 250 kg zboża w ciągu 12 godzin.

Zatem elektrownia wodna stylizowana na młyn będzie w stanie dostarczyć niewiele więcej mocy. Ot, tyle co poprawi bilans energetyczny domu. Wraz z rozwojem sztuki inżynierskiej, we wczesnym okresie rewolucji przemysłowej, siłownie wodne stosowano do napędzania maszyn jak i generatorów wytwarzających energię elektryczną. Były to więc pierwsze elektrownie wodne. Konstrukcje pozwalały na osiąganie mocy od 3 do 75 kW. Najczęściej miały moc rzędu 20… 30 kW. Zatem elektrownia wodna, która zostanie zbudowana np. w starej papierni, ale z zastosowaniem nowych turbozespołów będzie mogła wytwarzać prąd na sprzedaż.

Elektrownia wodna. Rodzaje kół

Elementem, który zamienia energię kinetyczną wody na energię mechaniczną w elektrowni wodnej jest koło. W zależności od położenia osi obrotu koła dzielą się na koła o osi:

  • poziomej,
  • pionowej.

W zależności od sposobu w jaki woda pada na koło, koła dzielą się na:

  • nasiębierne – woda pada na koło z góry,
  • podsiębierne – woda przepływa pod kołem,
  • śródbierne – woda pada na środkową część koła.

Koła nasiębierne i śródbierne wykorzystują siłę ciężkości wody. Gdy istotna jest sprawność, a nie stylowy wygląd urządzenia stosowane są turbiny wodne.

Rodzaje turbin w elektrowniach wodnych

U schyłku XIX wieku, na skutek rozwoju przemysłu, zapotrzebowanie na energię gwałtownie wzrosło. Sprostać im mogły turbiny. Obecnie w elektrowniach wodnych najczęściej spotkać można turbiny:

  • Francisa – opracowane w połowie XIX wieku,
  • Peltona – opracowane w latach 80-tych XIX wieku,
  • o przepływie osiowym (np. turbiny Kaplana) – opracowane w drugiej dekadzie XX wieku.

Turbiny mogą dostarczać mocy powyżej 600 MW.

Elektrownia wodna – mała, a duża

Elektrownie wodne małe od dużych, oprócz widocznych gołym okiem rozmiarów, różni stosowanie wyposażenia. Do elektrowni małej montowane są standardowe: turbiny, generatory, układy elektroniczne. Dla elektrowni dużych urządzenia projektowane są pod kątem konkretnego obiektu.

Elektrownie wodne małe najczęściej nie mają zbiorników retencyjnych przed spiętrzeniem. Elektrownie wodne o mocach poniżej do 15 MW mają najczęściej standaryzowane turbiny wodne: Francisa, Peltona, rurowe typu S, straflo, gruszkowe, o przepływie poprzecznym (Banki-Michella), Turgo. Przy mocach do 0,5 kW stosowane są śruby Archimedesa w trybie odwróconym.
Więcej na temat szczegółów konstrukcyjnych elektrowni wodnych przeczytasz w artykule: Turbozespoły wodne.

Elektrownia wodna i energetyka wodna – sprawdź nasze praktyczne wskazówki

Przepływ wody wynika z różnicy poziomów. Jest ona ustalona dla określonej lokalizacji. Czynnikami, na który mamy wpływ jest wykonanie odpowiedniego kanału lub rurociągu, dobranie podzespołów. Poniżej znajdziesz praktyczne wskazówki, jak uniknąć błędów pogarszających sprawność elektrowni wodnej.

  1. Jeżeli elektrownia wodna zasilana jest przez kanał otwarty, to optymalny stosunek głębokości h do szerokości B opisuje zależność h = B/2.
  2. Gdy kanał wykopany w ziemi jest zarośnięty, to wybetonowanie go lub wyłożenie heblowanymi deskami spowoduje około dwukrotne zwiększenie prędkości przepływu wody.
  3. Aby w kanale nie osadzały się zanieczyszczenia minimalna prędkość przepływu nie może być mniejsza niż 0,5 m/s.
  4. Jeżeli elektrownia wodna zasilana jest przez rurociąg, to należy pamiętać, że woda wpływa do rury z energią zależną od różnicy ciśnień, jaka ustali się między jej krawędziami.
  5. Spowolnienie przepływu w rurociągu następuje w wyniku tarcia wody o powierzchnię rury. Nowe rury stalowe i rury z heblowanego drewna mają podobny współczynnik tarcia. Rury z betonu mogą mieć nawet cztery razy wyższy współczynnik tarcia.
  6. Zmiany kierunku przepływu cieczy również powodują jej spowolnienie. Kolano o kącie 90 stopni powoduje zmniejszenie prędkości wody od 20 do 50%.
  7. Kołem wodnym o najwyższej sprawności jest koło nasiębierne. Dobrze sprawdza się w małych potokach o niskim natężeni przepływu, ale gdzie różnica poziomów przekracza 2 metry. Samo koło powinno znajdować się nad powierzchnią wody dolnej. Sprawność całkowita koła nasiębiernego wynosi od 60 do 80%.
  8. Koło podsiębierne wymaga mniej nakładów niż koło nasiębierne. Woda jest doprowadzana do dolnej części koła. Jego sprawność całkowita jest niższa i wynosi od 60 do 70%.
  9. W przypadku koryta o głębokości 1 m i prędkości przepływu 1,5 m/s, z koła wodnego można uzyskać moc do 0,4 kW na metr szerokości koła.
  10. Wadą kół wodnych jest niska szybkość obrotowa i ciężka konstrukcja. Za to nie są tak podatne na uszkodzenie przez unoszone w wodzie zanieczyszczenia jak turbiny.
  11. Koła wodne o osi pionowej wymagają spadku nie mniejszego niż 6 m. Strumień wody doprowadzany jest rurą. Na jej końcu znajduje się dysza o kształcie stożka. Dzięki temu na łopatki wypływa woda o dużej prędkości. Ich sprawność dochodzi do 80%.

Jeśli zainteresował Was temat OZE, to zapraszamy do innych, równie ciekawych artykułów:)