Elektrownia wodna - charakterystyka

Transkrypt

1 Wytwarzanie energii elektrycznej. Elektrownie wodne. WYKŁAD 4 Opracował: mgr inż. Marcin Wieczorek Elektrownia wodna - charakterystyka zakład przemysłowy zamieniający energię spadku wody na energię elektryczną energia potencjalna wody w górnym biegu zamieniana jest na energię kinetyczną wody spływającej w dół, napędzając turbinę energia mechaniczna turbiny jest zamieniana w generatorze na energię elektryczną 1

2 2

3 Podział elektrowni wodnych ze względu na sposób wytworzenia przepływu wody: przepływowe wykorzystujące naturalne spady wód, nie posiadają zbiorników, nie mają możliwości regulowania przepływu zbiornikowe mają możliwość kumulowania energii wodnej, nie są zależne od chwilowego dopływu wody 4/18 Elektrownia przepływowa nie posiada zbiornika wodnego, jest zlokalizowana w korycie rzeki, w specjalnie skonstruowanym budynku będącym przedłużeniem jazu, wykorzystuje stosunkowo niewielkie spiętrzenie - rzędu kilkunastu metrów, może pracować prawie bez przerwy, ilość produkowanej przez nią energii jest uzależniona od ilości wody, przepływającej w danej chwili w rzece 3

4 Elektrownie przepływowe w Polsce Elektrownia zbiornikowa (regulacyjna) posiada zbiornik wodny, może magazynować wodę i regulować jej przepływ w okresie dobowym, tygodniowym, miesięcznym lub dłuższym, może produkować energię o większej mocy, niż moc odpowiadająca chwilowemu dopływowi, dostosowuje się do zmian w zapotrzebowaniu na energię i sezonowych wahań ilości przepływającej wody, 4

5 Podział elektrowni wodnych ze względu na rodzaj współpracy z systemem elektroenergetycznym: podstawowe pracują w czasie doby w sposób ciągły podszczytowe pracują z przerwami w okresach doliny nocnej lub popołudniowej szczytowe pracują w okresach maksymalnego zapotrzebowania na energię elektryczną szczytowo-pompowe magazynują energię: w okresie największego zapotrzebowania dostarczają energię elektryczną w okresie dolin pobierają ją 8/18 Elektrownia szczytowo-pompowa posiada dwa zbiorniki wodne dolny i górny, gromadzi potencjalną energię, wykonując pracę pompową (silnikową), polegającą na przepompowywaniu wody ze zbiornika dolnego do górnego gdy zapotrzebowanie na energię wzrasta, podejmuje pracę turbinową (generatorową): woda z górnego zbiornika jest uwalniana i spływając napędza turbinę, która wytwarza prąd 5

6 Znaczenie elektrowni szczytowo-pompowych uruchamiane 1-2 razy w ciągu doby w cyklu pracy pompowej i turbinowej wyrównują szczytowe, czyli maksymalne i minimalne obciążenie systemu energetycznego są wielkimi magazynami energii pełnią rolę interwencyjną w przypadkach awarii systemu elektroenergetycznego w razie nagłego niedoboru mocy są uruchamiane do pracy turbinowej, zaś w razie nagłego nadmiaru mocy podejmują pracę pompową Wady elektrowni szczytowo-pompowych elektrownie szczytowo-pompowe są kosztowne, trudno jednak znaleźć alternatywny sposób magazynowania tak dużych ilości energii by zmniejszyć nakłady inwestycyjne wyposaża się elektrownie w odpowiednio duże spady, co pozwala uniknąć budowy dużego zbiornika wodnego im wyższy bowiem spad, tym mniejsza może być pojemność zbiornika wysokość spadu w elektrowniach szczytowo-pompowych powinna przekraczać 100 m 6

7 Elektrownie szczytowo-pompowe w Polsce 12/18 Elektrownia szczytowo-pompowa w Żarnowcu 7

8 Zapora Porąbka Solina zapora i jezioro 8

9 Elektrownia pływowa by wykorzystać energię pływów ujścia rzek przegradza się zaporami, wyposażonymi w turbiny woda porusza turbiny wpływając do zbiornika wodnego w czasie przypływu i wypływając z niego w czasie odpływu pierwsza i zarazem największa elektrownia pływowa na świecie została uruchomiona w 1966 roku we Francji, przy ujściu rzeki La Rance do kanału La Manche - zakład ten dysponuje mocą zainstalowaną 240 MW drugą co do wielkości elektrownią pływową świata jest instalacja w Annapolis w Kanadzie, posiadająca 17 MW mocy zainstalowanej Elektrownia maremotoryczna (falowo-wodna) produkuje energię elektryczną z energii fal lub prądów morskich bądź oceanicznych Ze względu na lokalizację elektrownie maremotoryczne dzielą się na: nadbrzeżne, przybrzeżne - umiejscowione na dnie morza na głębokości m morskie - usytuowane na dnie morza na głębokości ponad 40 m 9

10 Budowa elektrownia maremotorycznej stosowane są turbiny dwóch rodzajów: turbiny wodne napędzane przelewającą się przez upust zbiornika wodę, która wcześniej wpływa do zbiornika zwężającą się sztolnią, a po przepłynięciu przez turbinę wraca do morza turbiny powietrzne wprawiane w ruch powietrzem, sprężonym w górnej części zbiornika przez zalewające dno zbiornika fale (zbiornik zbudowany jest na platformie, zlokalizowanej na brzegu morza 18/18 Zapraszam na przerwę Dziękuję za uwagę 10

11 Wytwarzanie energii elektrycznej. Elektrownie wiatrowe. WYKŁAD 5 Opracował: mgr inż. Marcin Wieczorek Elektrownie wiatrowe - charakterystyka budowane w miejscach ciągłego występowania wiatrów o odpowiednio dużej prędkości (minimum 6 m/s) dogodne miejsca to takie gdzie częstości występowania silnych wiatrów m/s jest najwyższa wysoce zaawansowane wiatraki prądotwórcze pracują przy prędkości wiatru od 3 do 30 m/s dla turbiny wiatrowej o mocy 1 MW minimalna średnioroczna prędkość wiatru gwarantująca opłacalność inwestycji to 5 m/s 1/18 11

12 Elektrownie wiatrowe - charakterystyka w Polsce średnia prędkość wiatrów wynosi 2,8 m/s w porze letniej i 3,8 m/s w zimie tylko w niewielu miejscach sezonowo prędkość wiatru przekracza 5m/s, co stanowi absolutne minimum do zasilania turbin wiatrowych konsekwencją niskiej wietrzności jest to, że elektrownia wiatrowa wybudowana w Danii dostarczy 100 kw, podczas gdy taka sama elektrownia wybudowana w rejonie Szczecina dostarczy tylko 17,3 kw aby uzyskać 1 MW mocy, poza odpowiednią siłą wiatru, wirnik turbiny wiatrowej powinien mieć średnicę około 50 metrów 2/18 12

13 Podstawowe elementy elektrowni wiatrowej silnik wiatrowy (posiadający wirnik z łopatkami) prądnica elektryczna (bocznikowa prądu stałego lub synchroniczna napędzana przez wirnik silnika wiatrowego) urządzenie do sterowania i regulacji (sterownik kierunkowy) 3/18 13

14 Rodzaje silników wiatrowych silniki wolnobieżne - posiadają dużą liczbę łopatek i charakteryzują się możliwością pracy przy słabym wietrze silniki szybkobieżne posiadają małą liczbę łopatek i wymagają dużych prędkości wiatru 418 Budowa turbiny wiatrowej główny element siłowni wiatrowej to wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną, z której z kolei generator produkuje energię elektryczną osadzony na wale wolnoobrotowym wirnik posiada zwykle trzy łopaty, wykonane ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego wirnik obraca się najczęściej z prędkością od 15 do 30 obrotów na minutę prędkość ta zostaje następnie zwiększona przez przekładnię do 1500 obr/min przekładnia połączona jest z wałem szybkoobrotowym, a ten z kolei z generatorem 15/18 14

15 generator, przekładnia, a także monitorujący siłownię system sterowania oraz układy smarowania, chłodzenia i hamulec umieszczone są w gondoli, zamocowanej wraz z wirnikiem na stalowej wieży o wysokości od 30 do 100 m na szczycie wieży znajduje się silnik i przekładnia zębata, których zadaniem jest obracanie wirnika i gondoli w kierunku wiatru 6/18 7/18 15

16 8/18 Technologia asynchroniczna większość elektrowni wiatrowych zainstalowanych w systemie elektroenergetycznym jest wyposażona w generatory asynchroniczne, których prędkość synchroniczna jest równa 1500 i 750 obr/min generatory asynchroniczne stosowane w elektrowniach wiatrowych budowane są często jako maszyny o zmiennej (przełączalnej) liczbie par biegunów (zazwyczaj o 2 lub 3 parach biegunów) znane są również konstrukcje zawierające dwa niezależne generatory w jednej obudowie przy słabych wiatrach pracuje mały generator, którego prędkość synchroniczna jest równa 750 obr/min kiedy prędkość wiatru wzrasta, włączany jest tz. duży generator, którego prędkość synchroniczna jest 1500 obr/min 9/18 16

17 10/18 stosunkowo mała prędkość obrotowa koła wiatrowego (wirnika turbiny wiatrowej), która wynosi nie więcej jak 40 obr/min oraz stosowanie generatorów szybkoobrotowych wymusza zastosowanie przekładni miedzy wirnikiem turbiny a generatorem o przekładni zazwyczaj większej niż 60 energia elektryczna jest wytwarzana w czasie pracy elektrowni wiatrowej przy prędkościach wiatru od 3 m/s do max. 25 m/s przy max prędkości wiatru, w celach bezpieczeństwa następuje automatyczne zatrzymanie pracy elektrowni, poprzez zadziałanie hamulca hydraulicznego moc znamionowa elektrowni jest osiągana przy dość dużej, jak na warunki polskie, prędkości wiatru, równej w zależności konstrukcji wiatraka od 12 do 16 m/s 11/18 17

18 12/18 Technologia synchroniczna elektrownie bez przekładniowe wyposażone w generatory synchroniczne generator synchroniczny nie jest w tym przypadku łączony z systemem elektroenergetycznym bezpośrednio, a przez przekształtnik energoelektroniczny brak przekładni i mała prędkość koła wiatrowego (do 40 obr/min) wymuszają stosowanie generatorów synchronicznych specjalnych konstrukcji tj. z bardzo duża ilością par biegunów - dochodzącą do kilkudziesięciu 13/18 18

19 stator generatora system pomiaru wiatru łopata wirnika zamocowanie centralne dodatkowy wyciąg system ustawienia łopaty system nakierowania wirnik generatora podstawa urządzenia wieża 14/18 15/18 19

20 16/18 17/18 20

21 18/18 Zapraszam na przerwę Dziękuję za uwagę 21

22 Wytwarzanie energii elektrycznej. Elektrownie słoneczne. WYKŁAD 6 Opracował: mgr inż. Marcin Wieczorek Elektrownie słoneczne - charakterystyka energia promieniowania słonecznego jest podstawowym źródłem energii na Ziemi promieniowanie słoneczne wykorzystywane jest bezpośrednio do produkcji energii elektrycznej oraz cieplnej w roku 1897, w miejscowości Pasadena koło Los Angeles właśnie w ten sposób ogrzewano aż 30% domów najpóźniej zaczęto wykorzystywać energię słoneczną do produkcji energii elektrycznej efekt fotowoltaiczny, umożliwiający produkcję prądu bezpośrednio z promieniowania słonecznego został zaobserwowany już w XIX wieku, na szeroką skalę wykorzystano go dopiero w latach 50. ubiegłego stulecia, w amerykańskich satelitach i statkach kosmicznych 1/16 22

23 Elektrownie słoneczne - charakterystyka obecnie największym producentem ogniw fotowoltaicznych na świecie jest Japonia. Dzięki wprowadzeniu nowego prawa dotyczącego zakupu energii i 50% dotacji rządowej w 1997 roku zainstalowano tam 9400, a rok później około systemów fotowoltaicznych 23

24 Konwersja fotowoltaiczna konwersja fotowoltaiczna umożliwia bezpośrednią zamianę energii promieniowania słonecznego (światła) na prąd elektryczny zachodzi ona w fotoogniwach półprzewodnikowych do ich budowy wykorzystuje się najczęściej: krzem (Si), german (Ge), selen (Se) wielkość napięcia i mocy uzyskiwanej z pojedynczego ogniwa nie jest imponująca zazwyczaj 0,5 V aby urządzenie było użyteczne ogniwa łączy się szeregowo w celu podwyższenia napięcia i równolegle w celu zwiększenia mocy 4/16 Ogniwo fotowoltaiczne zasada działania padające na fotoogniwo promieniowanie słoneczne wybija elektrony z ich miejsc w strukturze półprzewodnika, tworząc pary nośników o przeciwnych ładunkach (elektron z ładunkiem ujemnym i z ładunkiem dodatnim dziura, powstała po jego wybiciu) ładunki te zostają następnie rozdzielone przez istniejące na złączu p-n pole elektryczne, co sprawia, że w ogniwie pojawia się napięcie wystarczy do ogniwa podłączyć urządzenie pobierające energię i następuje przepływ prądu elektrycznego 24

25 Ogniwo fotowoltaiczne zasada działania ogniwa fotowoltaiczne łączone są po kilkadziesiąt w moduły fotowoltaiczne, co pozwala uzyskać niezbędną moc i odpowiednie napięcie z modułów budowane są z kolei systemy fotowoltaiczne, wśród których wyróżnia się: systemy podłączone za pomocą falownika do trójfazowej sieci elektroenergetycznej systemy autonomiczne, zasilające bezpośrednio urządzenia prądu stałego 25

26 Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych Ogniwa fotowoltaiczne są obecnie powszechnie stosowane: w zegarkach, kalkulatorach, odbiornikach radiowych, do zasilania radiowo-telekomunikacyjnych stacji przekaźnikowych, w telefonii komórkowej, do zasilania znaków drogowych, do zasilania satelitów, do zasilania urządzeń ochrony pastwisk i lasów, w autonomicznych systemach zasilających na przyczepach kempingowych, do zasilania odosobnionych stacji meteorologicznych 8/16 Zalety ogniw fotowoltaicznych nie przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych nie powoduje żadnych zanieczyszczeń nie pociąga za sobą produkcji odpadów Dostarczający l ciepłej wody użytkowej kolektor słoneczny o powierzchni 6 m2 pozwala zredukować roczną emisję: dwutlenku węgla (CO 2 ) o 1,5 t, dwutlenku siarki (SO 2 ) o 12 kg, tlenków azotu o 5 kg pyłów o 2 kg. 26

27 Wady ogniw fotowoltaicznych zmienności dobowa i sezonowa promieniowania słonecznego mała gęstość dobowa strumienia energii promieniowania słonecznego, która nawet w rejonach równikowych wynosi zaledwie 300 W/m 2, zaś w Polsce nie przekracza 100 W/m 2 (czyli 1000 kwh/m 2 w skali roku) ceny urządzeń 11/16 27

28 28

29 14/16 29

30 16/16 Zapraszam na przerwę Dziękuję za uwagę 30