Moc. emitowana od Ziemi TW. Konwersja fotowoltaiczna. Konwersja chemiczna CHEMICZNA ELEKTRYCZNA CIEP O

Transkrypt

1 Energia ruchów planetarnych PRZESTRZE KOSMICZNA TW CE Moc emitowana od Ziemi TW Moc odbita od atmosfery Moc wypromieniowana z powierzchni Ziemi i atmosfery TW ATMOSFERA POWIERZCHNIA ZIEMI Energia procesów fizykochemicznych we wn trzu Ziemi 100 TW Fotosynteza Konwersja chemiczna Konwersja fotowoltaiczna Cykliczna zmiana entalpii Nagrzewanie i ch odzenie KONWERSJA TERMODYNAMICZNA TW TW Chmury Opady Parowanie Wody powierz chniowe OBIEG HYDROLOGICZN Y 400TW Ruch powietrz a ENERGIA YWÓW MORSKICH ENERGIA CIEPLNA GEOTERMALNA ENERGIA BIOMASY Na podst. Pr. zb. Energetyka nr CHEMICZNA ELEKTRYCZNA CIEP O ENERGIA WÓD POWIERZCH NIOWYCH ENERGIA WIATRU Energetyka wodna Pozyskiwanie energii wód i jej przetwarzanie na inne rodzaje energii, tj. mechaniczn i elektryczn z wykorzystaniem silników wodnych (turbin wodnych) i hydrogeneratorów w si owniach i elektrowniach wodnych Wykorzystywana jest g ównie energia wód ródl dowych o odpowiednio du ym nat eniu przep ywu i du ym spadzie (ró nica poziomów mi dzy wod górn i doln wraz ze stratami przep ywu 1

2 Potencja energetyczny rzek Polski wg A. Hoffmanna (1961 r.) System wodny Potencja, GWh/a Wis aw z dorzeczem 9270 Dop ywy lewobrze ne 513 Dop ywy prawobrze ne 2580 Odra z dorzeczem 2400 Dop ywy lewobrze ne 619 Dop ywy prawobrze ne 507 Rzeki przymorza 280 Razem redni roczny czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni wodnych: T pi = 3300 h Moc mo liwa do zainstalowania / MW Produkcja energii elektrycznej na bazie energetyki wodnej 2

3 Cechy elektrowni wodnych Zalety wykorzystanie odnawialnych zasobów energii najwy sza sprawno spo ród wszystkich rodzajów elektrowni (dochodz ca do 90%) najmniej szkodliwy wp yw na rodowisko mo liwo szybkiego rozruchu i osi gni cia pe nej mocy niewielkie wymogi w zakresie obs ugi i potrzeb w asnych Wady wysokie nak ady inwestycyjne na jednostk mocy zainstalowanej negatywne oddzia ywanie na stan hydrologiczny otoczenia negatywne oddzia ywanie na warunki biologiczne zbiorników i cieków wodnych: utrudnienia w migracji ryb, zamulanie zbiorników i in. Podzia elektrowni wodnych Kryterium podzia u Wielko mocy zainstalowanej Sposób i cel magazynowania wody wykorzystanej w elektrowni Rodzaje elektrowni wodnych Du a, >100 MW rednia, MW Ma a, 1 15 MW Mini, 100 kw 1 MW Mikro, 5 kw 100 kw Piko, < 5 kw Przep ywowe brak mo liwo ci magazynowania wody i regulowanie jej dop ywu zgodnie z zapotrzebowaniem Zbiornikowe o wyrównaniu d ugookresowym woda w zbiornikach jest magazynowana w okresach wieloletnich Zbiornikowe o wyrównaniu krótkookresowym wykorzystanie zbiorników umo liwiaj cych regulacj dobow lub tygodniow Spad elektrowni Elektrownie o niskim spadzie, H < 30 m Elektrownie o rednim spadzie, 20 m<h < 600 m Elektrownie o wysokim spadzie, H > m 3

4 Podzia elektrowni wodnych c.d. Kryterium podzia u Sposób wytworzenia ró nicy poziomu wody Charakter przep ywu wody Charakter wspó pracy z systemem elektroenergetycznym Rodzaje elektrowni wodnych Przyzaporowe wykorzystuj ce ró nic poziomów wody bezpo rednio na miejscu jej pi trzenia. Wysoko spadu wynika z wysoko ci przegrody pi trz cej Derywacyjne wielko spadu wynika z wysoko ci przegrody pi trz cej i rodzaju derywacji, tj. doprowadzenia wody z uj cia wodnego do elektrowni (kana, ruroci g i in.) Wykorzystuj ce naturalne przep ywy cieków wodnych Obieg wody generowany sztucznie mi dzy zbiornikiem dolnym a górnym (praca pompowa) oraz górnym a dolnym (praca turbinowa) Wykorzystuj ce przep ywy naturalne i sztuczne Podstawowe Szczytowe Szczytowo pompowe Elektrownia wodna przyzaporowa i derywacyjna Elektrownia przyzaporowa Elektrownia derywacyjna 4

5 Elektrownia szczytowo-pompowa posiadaj górny i dolny zbiornik wody pracuj w dwóch podstawowych stanach: praca pompowa - przy ma ym zapotrzebowaniu na energi (np. w okresie doliny nocnej) woda przepompowywana jest do górnego zbiornika praca turbinowa wytwarzanie energii elektrycznej z energii wód zgromadzonych w górnym zbiorniku w okresie zwi kszonego zapotrzebowania na energi P praca turbinowa praca pompowa godz. Elektrownia szczytowo-pompowa Wykres Sankey a 4-0,5% 3-9% 2-3% 1-0,5% Praca pompowa Wytw. energii elektr. 5-2% 6-11% 7-2,5% 100 % 74% 8-0,5% Straty w elementach:1, 8 transformatory, 2 silnik, 3- pompa, 4,5 ruroci gi, 6 turbina, 7 generator 5

6 Równanie ci ci strugi S2 v 1 S 1 v 2 Q 2 nat enie przep ywu, m 3 /s S 2 pole przekroju, m 2 v 2 pr dko, m/s Q 1 nat enie przep ywu, m 3 /s S 1 pole przekroju, m 2 v 1 pr dko, m/s Q 1 = Q 2 S 1 v 1 = S 2 v 2 Równanie Bernoulliego Wynika z zastosowania zasady zachowania energii do strugi p yn cej cieczy Sk adowe równania: Sk adowa pr dko ci (energia kinetyczna) Sk adowa wysoko ci (energia potencjalna) Sk adowa ci nienia (praca przet aczania) Posta równania Bernoulliego tzw. równanie trzech wysoko ci: 2 p v z const 2g z wzniesienie ponad poziom odniesienia, m p ci nienie, Pa v pr dko przep ywu strugi, m/s ci ar w ciwy wody (9810 N/m 3 ) g przyspieszenie ziemskie (9,81 m/s 2 ) 6

7 Ciek wodny: a) bez spi trzenia, b) ze spi trzeniem z 1, z 2 rz dne po enia w przekroju 1 i 2 wzgl dem poziomu morza v 1, v 2 rednia pr dko wody w przekroju 1 i 2 p 1, p 2 ci nienie w przekroju 1 i 2 H 1, H 2 wysoko lustra wody wzgl dem poziomu odniesienia w zbiorniku górnym i dolnym h 1, h 2 po enie rodka ci ko ci mas wody pod lustrem wody w zbiorniku górnym i dolnym Spad elektrowni wodnej Ró nica rz dnych zwierciade wolnych wody górnej i dolnej bezpo rednio przed i za elektrowni Ró nica mi dzy energiami mechanicznymi jednostki ci aru wody w przekrojach wody górnej i dolnej, na dop ywie i odp ywie wody z elektrowni 7

8 Moc cieku wodnego Moc cieku wodnego mi dzy przekrojami 1 i 2: 2 2 p 1 p2 v1 v2 P1 2 9,81 Q z1 z2 2g Q nat enie przep ywu wody, tzw. prze yk elektrowni, m 3 /s g sto wody (ok kg/m 3 ) Spad u yteczny elektrowni ze spi trzeniem: H v v 2g u H h str H = H 1 H 2 spad niwelacyjny h str wysoko strat wynikaj ca z oporów przep ywu wody W rzeczywistych warunkach: v 1 H u H v, 2 h str H Moc netto elektrowni wodnej P EWn 9 H u T p g tr,81 Q 1 T sprawno turbiny (0,82-0,92) p sprawno przek adni (0,97-0,99) g sprawno generatora (0,95-0,97) tr sprawno transformacji (0,82-0,92) wzgl dne zu ycie na potrzeby w asne (0,01) Q przep yw wody (m 3 /s), tzw. prze yk turbiny H u spad u yteczny elektrowni 8

9 Urz dzenia elektrowni wodnej Doprowadzenie wody do turbiny: Sztolnia z ruroci giem Krata zabezpieczaj ca z progiem przeciwrumowiskowym Klapa zamykaj ca Komora wyrównawcza zabezpieczenie przed tzw. uderzeniem hydraulicznym Klapa zamykaj ca dop yw wody do turbiny Rura ssawna: Umo liwia wykorzystanie spadu geometrycznego mi dzy wirnikiem a lustrem wody w zbiorniku dolnym Pozwala odzyska du cz energii kinetycznej unoszonej przez wod wyp ywaj z wirnika z pr dko ci po udnikow Urz dzenia elektrowni wodnych c.d. Turbiny wodne Akcyjne (natryskowe) Reakcyjne (naporowe) Hydrogeneratory: Synchroniczne wolnoobrotowe: du e gabaryty, du a liczba par biegunów, pracuj ce na wspólnym wale z turbin Synchroniczne szybkoobrotowe: ma e gabaryty, do 4 par biegunów, konieczne stosowanie przek adni Asynchroniczne szybkoobrotowe: stosowane w ma ych elektrowniach wodnych 9

10 Turbiny wodne rodzaje Turbiny wodne silniki hydrauliczne wykorzystuj ce energi kinetyczn lub energi kinetyczn i energi pochodz od ci nienia wody do nap du wirnika sprz onego z generatorem Turbiny reakcyjne Turbiny akcyjne Turbina Francisa H= m (jedno- i wielowirnikowe) Turbina mig owa Kaplana (regulacja opatek wirnika) H<75 m Rurowe (typu Kaplana lub mig owego) Turbina Deriaza odmiana turbiny Francisa z ruchomymi opatkami Turbina Peltona Wysokie spady H> m Jednodyszowe Wielodyszowe Turbina Banki-Mitchella (Cross-flow) H = m Turbina Turgo Turbiny akcyjne i reakcyjne Turbiny akcyjne: woda doprowadzana jest do wirnika pod ci nieniem atmosferycznym i przekazuje mu energi kinetyczn z przemiany energii wody w nieruchomej dyszy oraz energii ruchu wody na wlocie do turbiny Turbiny reakcyjne: woda przep ywa mi dzy opatkami wirnika tworz cymi kana y konfuzorowe (tj. ze zmniejszaj cym si przekrojem), doznaje przyspieszenia, a krzywizna opatek zmienia kierunek ruchu wody; woda wywiera na opatki dzia anie: Reakcyjne: wywo ane ci nieniem, pod którym woda przep ywa przez wirnik z przyspieszeniem wzgl. wirnika Akcyjne: wywo ane krzywizn opatki i zmian kierunku ruchu 10

11 Równanie podstawowe dla turbiny wodnej opatka turbiny na wirniku promieniowym Moment na wale wirnika: M Q R c R 2 R c 1 1 cos cos u1 c1 cos 1 u2 c2 cos 2 R 1 Równanie podstawowe turbin wodnych: w 2 2 gh h u 1 1 w 1 u 2 2 : c 2 c 1 c 1, c 2 - pr dko bezwzgl dna na wlocie i wylocie wirnika u 1, u 2 - pr dko unoszenia na zewn trznym i wewn trznym obwodzie wirnika w 1, w 2 - pr dko wzgl dna wody wzd opatki wirnika Podstawowe parametry turbin wodnych Moc teoretyczna turbiny (moc wej ciowa): P t = Q H u Moc hydrauliczna moc oddawana z przez wirnik turbiny (z uwzgl dnieniem strat obj to ciowych i hydraulicznych): P h = h v P t Moc u yteczna moc odbierana w wa u turbiny: P u = t P t Sprawno obj to ciowa (wolumetryczna) : v =(Q Q) /Q Sprawno hydrauliczna - uwzgl dnia straty powstaj ce przy przep ywie wody przez omywane cz ci turbiny: h =(H u h) /H u Sprawno mechaniczna, m Sprawno ca kowita turbiny: t = v m h Pr dko obrotowa n, obr/min Spad u yteczny (netto) H u, m 11

12 Wyró nik szybkobie no ci turbiny wodnej wyró nik szybkobie no ci n s - wska nik porównawczy, atwiaj cy dobór w ciwej turbiny do ró nych spadów i mocy okre lony nast puj co: pr dko obrotowa turbiny daj cej moc 736 W (1KM) przy spadzie równym 1 m: Typowe warto ci: n n s 1,36P H 5 4 u Turbina u n s Peltona 2 35 Francisa Deriaza Kaplana Jednostki: moc P u -kw, n w obr./min, H u w m Turbina Peltona u1 c1 u2 c2 max P cos 1 1 cos

13 Turbina Francisa Turbina Kaplana 13

14 Turbiny Kaplana z poziom osi obrotu Turbina Banki-Mitchell a (Cross-flow) Turbina ma ej mocy Sterowanie za pomoc kierownicy Szeroki strumie wody przep ywaj cy 2 razy przez opaty wirnika Spady: 2-50 m 14

15 Turbina akcyjna typu Turgo Turbina limakowa (Archimedesa) 15

16 Niekonwencjonalne turbiny wodne Nomogram do doboru typu turbiny w zale no ci od mocy, prze yku i spadu elektrowni 16

17 Du e elektrownie wodne w Polsce Wg. Paska J. Wytwarzanie Ma e elektrownie wodne Elektrownie wodne o mocach zainstalowanych nie przekraczaj cych 5 MW Obecnie ok. 780 elektrowni o cznej mocy zainstalowanej ok. 970 MW Nie posiadaj na ogó w asnego zbiornika i pracuj jako elektrownie przep ywowe (moc zale na od przep ywu wody w rzece) Mog korzystnie oddzia ywa na warunki hydrologiczne Mo liwo korzystania ze wsparcia przeznaczonego dla odnawialnych róde energii 17

18 Potencjalne lokalizacje MEW (ok. 6000): Moc generacyjna elektrowni wodnych na terenie Polski Steller J. Energetyka wodna i jej rozwój, Acta Energetica 18

19 MEW aganiec na rzece Czerna Wielka (woj. lubuskie) Fot. P. Gnybek MEW aganiec : turbina Turbina Francisa: u redniona rednica wirnika D = 1150mm wyró nik szybkobie no ci ns=270; wysoko wlotu wirnika b=375mm; spad znamionowy H=2m; sprawno =0,82; prze yk dla spadu znamionowego Q t =2,1m 3 ; obroty dla spadu znamionowego n=89 obr/min; moc dla spadu znamionowego P t =33,8kW; Fot. P. Gnybek 19

20 MEW aganiec : generator napi cie znamionowe 380V; pr d znamionowy 61A; moc znamionowa 30kW; obroty 970 obr/min; wspó czynnik mocy cos =0,84; klasa izolacji IP44; ci ar 225kg. Polskie elektrownie wodne Kaskada rzeki Raduni 20

21 Polskie elektrownie wodne Elektrownia derywacyjna na jez. ur Elektrownia wodna Gródek Polskie elektrownie wodne Elektrownia wodna arnowiec Elektrownia wodna ydowo 21

22 Polskie elektrownie wodne Elektrownia wodna Solina 22