Energetyka odnawialna i nieodnawialna. prof. Andrzej Gardzilewicz

Energetyka odnawialna i nieodnawialna Siłownie wodne Wykład WSG Bydgoszcz Prowadzący: prof. Andrzej Gardzilewicz gar@imp. imp.gda.pl, 601-63 63-22-84 Materiały źródłowe: T. Chmielniak, J. Stellera, J. Henke, J. Głuch wg. Knozowskiego, Konkola, Szczepańskiego

Turbiną wodną - silnik przetwarzający energię mechaniczną wody (energię wody płynącej) na pracę użyteczną w wirniku, w którym następuje zmiana wiru wody i wytwarzanie momentu obrotowego. W turbinach wodnych wykorzystuje się energię ciśnienia i energię prędkości. 2

spad użyteczny sprawność objętościowa straty objętościowe sprawność hydrauliczna sprawność mechaniczna moc teoretyczna turbiny moc hydrauliczna moc użyteczna prędkość obrotowa wyróżnik szybkobieżności sprawność całkowita turbiny 3

Spad użyteczny H u określa się jako różnicę energii pomiędzy wlotem i wylotem turbiny. Wartości energii w obu przekrojach są równe sumie: wysokości ciśnienia h c = p / γ [m]; wysokości prędkości h v = V 2 / 2g [m]; wysokości położenia z [m]. Określa się wzorem: H u = [ z 1 +( p 1 / γ ) + ( v 1 2 / 2g)] - [ z 2 +( p 2 / γ ) + ( v 2 2 / 2g)] Sprawność objętościową wyznacza się ze wzoru: η v = ( Q ΔQ) /Q; Przy czym ΔQ oznacza straty objętościowe, które powstają na skutek przecieków przez szczeliny, np.: pomiędzy wirnikiem, a obudową, w dławnicach, a także w układzie odciążającym wirnik od sił poosiowych. Powodują one, że część wody doprowadzonej do turbiny omija wirnik, a wiec nie przekazuje energii. 4

Sprawność hydrauliczną wyznacza się ze wzoru: η h =( H u Δh u )/H u Przy czym Δh u - straty hydrauliczne spowodowane zarówno uderzeniem wody o łopatki przy napływie, zawirowaniami na krawędzi wylotowej, jak i tarciem podczas przepływu przez kanały łopatkowe kierownicy i wirnika. Ponadto część energii jest tracona w rurze ssącej. Sprawność hydrauliczna w nowoczesnych turbinach występuje w granicach η h =0,88 0,95 Sprawność mechaniczną określa wzór: η h = ( N h ΔN m )/N h 5

Sprawność całkowita turbiny jest to stosunek mocy użytecznej turbiny do mocy surowej - doprowadzonej. Sprawność ta jest równa iloczynowi: sprawności objętościowej η v, sprawności hydraulicznej η h, sprawności mechanicznej η m : η t = 0,8 0,94 η t = N u / N s = η v *η h *η m 6

Moc surowa turbiny N s jest to moc wynikająca z przełyku turbiny Q i spadu użytecznego H u : N s = ( γ * Q t * H u ) / 102 = 9,81 Q t * H u, [kw]; Moc użyteczna N u jest to moc na wale turbiny, wynikająca z mocy surowej turbiny i sprawności turbiny η t : N u = ( γ * Q t * H u * η t ) / 102 = 9,81 Q t * H u,* η t [kw] Moc hydrauliczna wyznaczona ze wzoru: N h = N s * η Q * η h : 7

Wyróżnik szybkobieżności n, danej turbiny określa prędkość obrotową turbiny geometrycznie podobnej, która przy spadzie H =1 m osiąga moc 1 km. Wartość wyróżnika szybkobieżności oblicza się na podstawie wzoru: gdzie: n - prędkość obrotowa turbiny [obr/min]; n - moc turbiny [km] (gdy moc turbiny wyrażona jest w kw, N*1,36); H - spad użyteczny [m]; Q - objętościowe natężenie przepływu [m^3/s]. Wielkość ta charakteryzuje kształt wirnika; ustalając odpowiednie proporcje jego zasadniczych wymiarów, wskazuje na pewne cechy i właściwości turbiny oraz wyznacza warunki pracy, które zapewniają podobny przepływ w turbinach geometrycznie podobnych. 8

Natężenie przepływu jest to objętość wody przepływająca przez dany przekrój w czasie jednej sekundy. Przełyk turbiny Q, określa objętość wody doprowadzonej do turbiny w ciągu jednej sekundy, łącznie z wszelkimi przeciekami i wodą odprowadzoną do układu zmniejszającego napór osiowy. 9

Koła wodne Pierwszą maszyną, która zastąpiła siłę mięśni ludzkich oraz zwierząt pociągowych było koło wodne służące do czerpania wody oraz mielenia zbóż. Pierwsze koła wodne istniały już w I wieku p.n.e. na terenach państwa rzymskiego. W Polsce koła wodne zaczęto stosować w XII wieku. Wyróżnia się dwa podstawowe typy kół wodnych: - nasiębierne, - podsiębierne.

Koła wodne Koła podsiębierne - poruszane są przez prąd przepływającej rzeki. Szybki strumień wody naciska na dolne łopatki koła i wprawia je w ruch. Koła podsiębierne mają prostą budowę, lecz są mało efektywne. Dodatkowo ich praca uzależniona jest od stanu wody w zbiorniku. Koła nasiębierne - są wprawiane w ruch obrotowy przez wodę spadającą na ich zakrzywione łopatki. Charakteryzują się znacznie większą efektywnością od kół podsiębiernych i w zasadzie są niezależne od poziomu wody w zbiorniku.

Rozróżniamy 2 podstawowe grupy turbin wodnych: turbiny reakcyjne (naporowe) wykorzystują energię ciśnienia i kinetyczną turbiny akcyjne (natryskowe) wykorzystują energię kinetyczną Rys.1 Zmienność ciśnienia i prędkości w turbinie oraz odpowiednie trójkąty prędkości : a) turbina akcyjna b) turbina reakcyjna 12

Ze względu na konstrukcję dzielimy: Peltona Francisa (pompoturbiny) Kaplana (rurowe, śmigłowe) Banki-Michella Deriaza 300 2000 m 20(60) 600 m 3 80 m 2 50 m 13 300 m 13

Typ turbiny Zakres wyróżników szybkobieżności Zakres spadków H [ m ] Kaplan (śmigłowa) wolnobieżna Kaplan (śmigłowa) średniobieżna 350-500 70 30 501-750 30-10 Kaplan (śmigłowa) szybkobieżna 751 1100 10 i poniżej Francis wolnobieżny 50 150 500 110 Francis średniobieżny 151 250 110 50 Francis szybkobieżny 251 450 50 i poniżej Pelton wolnobieżny 2 15 1800 1000 Pelton średniobieżny 16 25 1000-700 Pelton szybkobieżny 26 50 700 100 Banki-Michaella 30-200 100 5 14

Podział turbin wodnych Wybór turbiny zależy przede wszystkim od spadu i przepływu strumienia wody. Z uwagi na znaczne zróżnicowanie zachodzących w turbinach przemian energetycznych można wyróżnić turbiny akcyjne, wykorzystujące energie prędkości, oraz turbiny reakcyjne wykorzystujące jeszcze energie ciśnienia. Najczęściej stosowane turbiny wodne: Akcyjne turbina Peltona Reakcyjne turbina Francisa turbina Kaplana

Wynaleziona przez Amerykanina Lester A. Peltona w roku 1880, turbinę natryskową (akcyjną), która została nazwana turbiną Peltona. Składa się z tarczy kołowej oraz umieszczonych na jej obwodzie łopatek w postaci podwójnych czasz. Stosowane do najwyższych spadów powyżej 500 m. Natężenie przepływu wody zmienia się za pomocą przesunięcia osiowo dyszy osadzonej współosiowo z iglicą, co powoduje zwiększenie lub zmniejszenie otworu wypływowego. Stosowane są długie rurociągi doprowadzające wodę do turbiny. Sprawność turbin szacuje się na poziomie do 90%. 16

Kierownica turbiny Peltona zbudowana jest z jednej lub kilku dysz, które natryskują wodą łopatki wirnika. Natężenie przepływu wody zmienia się za pomocą przesunięcia osiowo dyszy osadzonej współosiowo z iglicą, co powoduje zwiększenie lub zmniejszenie otworu wypływowego. Aby zwiększyć szybkości turbiny Peltona stosuje się kilka wirników na wspólnym wale i natryskiwanie każdego osobno z kilku dysz. 17

Rys. 2. Turbina Peltona, 1 rurociąg doprowadzający, 2 sterowanie ręczne, 3 urządzenie przesuwające iglicę, 4 dysza z iglicą, 5 osłona wirnika, 6 wirnik turbiny, 7 odcinacz wody, 8 korpus turbiny, 9 kanał odpływowy, 10 odchylacz strumienia. 18

Rys. 3. Łopatka wirnika turbiny Peltona Rys. 4 Odcinacz strumienia turbiny Peltona 19

Rys.5 Turbina Peltona z odkrytą częścią wirnika 20

21

Turbina Kaplana została skonstruowana przez austriackiego inżyniera Viktora Kaplana w 1921 r. Najbardziej nowoczesna odmianą turbiny wodnej. Nadają się do spadów od 5 do 50 m (3-80 m). Wobec możliwości nastawienia położenia łopatek wirnika w koordynacji z położeniem łopatek aparatu kierowniczego w zależności od spadu i obciążenia, ich krzywa sprawności jest płaska i korzystna w dużym zakresie obciążeń. Wirnik wykonywany jest w postaci piasty z osadzonymi na niej kilkoma łopatkami o kształcie zbliżonym do śmigła samolotu. 22

Wobec możliwości nastawienia położenia łopatek wirnika w koordynacji z położeniem łopatek aparatu kierowniczego w zależności od spadu i obciążenia, ich krzywa sprawności jest płaska i korzystna w dużym zakresie obciążeń. Wirnik wykonywany jest w postaci piasty z osadzonymi na niej kilkoma łopatkami o kształcie zbliżonym do śmigła samolotu. Zaletą turbin Kaplana jest wysoka sprawność podczas pracy w częściowym przełyku turbiny oraz duża szybkobieżność. Najczęściej wykorzystuje się turbiny Kaplana o osiach pionowych umieszczonych w komorach spiralnych, betonowych lub też blaszanych z rurami ssawnymi z osiami zakrzywionymi. 23

24

Jest to turbina wodna reakcyjna o dopływie dośrodkowym, pełnoobwodowa, stosowana przy spadach od kilku do kilkuset metrów. Składa się z wirnika, kierownicy, rury ssącej oraz przestawialnych łopatek wirnika, osadzonych na piaście i wieńcu. Wirnika stale, całkowicie zanurzonego w wodzie. Tylko bardzo małe turbiny o spadach 3-4 m mogą być ustawiane w otwartej komorze bez spirali. Celem spirali jest właściwe skierowanie wody na turbinę. 25

Dopływ wody do wirnika reguluje się za pomocą kierownicy mającej łopatki nastawiane specjalnym urządzeniem pierścieniowym, stanowiącym wraz z łopatkami układ wewnętrznej regulacji turbiny. Po przejściu przez wirnik woda uchodzi na zewnątrz rurą ssawną w postaci łagodnie rozszerzającego się przewodu. Rura ssawna umożliwia odzyskanie znacznej części energii wody uchodzącej z wirnika. 26

27

28

29

Turbiny Deriaza stosuje się na spady od 13 do około 300 m. Przy spadach powyżej 36 m stosowanie turbin Deriaza jest bardziej korzystne niż stosowania turbin Kaplana ze względów ekonomicznych. Ze względu na dobre rezultaty osiągane w pracach pompowych turbiny te są stosowane w siłowniach wodnych pompowych. Wirnik turbiny Deriaza wyposażony jest łopatki obracane dookoła zamocowanych w piaście czopów, których osie ustawione są ukośnie do osi wirnika. 30

31

Turbina Banki-Michella jest akcyjną turbiną przepływową z szerokim strumieniem wody o przekroju prostokątnym, który przepływa dwukrotnie przez palisadę łopatkową. 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. 32

Rys. Turbina Banki- Michella rozwiązania konstrukcyjne. A poziome doprowadzenie wody, B pionowe doprowadzenie wody. 1- korpus turbiny, 2 kierownica, 3 wirnik, łożyskowanie wirnika, 5 osłona wirnika, 6 zawór napowietrzający, 7 rura ssąca, 8 króciec wlotowy. 33

Charakterystyki te odnoszą się do całej serii geometrycznie podobnych turbin. Korzystając z niej można uzyskać podstawowe parametry energetyczne turbiny rzeczywistej w dowolnym stanie, a także ocenić jej właściwości kawitacyjne w warunkach zainstalowania. 34

a) przepływowe bez zbiornika - b) regulacyjne z dużym zbiornikiem wodnym - c) zbiornikowe z małym zbiornikiem wodnym - d) kaskadowe energii. Zbiorniki te stanowią też dobre zabezpieczenie przeciwpowodziowe e) pompowo-szczytowe - 35

Podział elektrowni wodnych 1. Elektrownie przepływowe 2. Elektrownie zbiornikowe (regulacyjne) 3. Elektrownie derywacyjne 4. Elektrownie pływowe 5. Elektrownie maremotoryczne 6. Elektrownie maretermiczne Elektrownie szczytowo-pompowe

Elektrownie przepływowe Mieści się w specjalnie skonstruowanym budynku, będącym przedłużeniem przegradzającego rzekę jazu. Jest więc zlokalizowana w korycie rzeki, której energię wykorzystuje. Elektrownie tego typu mogą pracować prawie bez przerwy, ilość produkowanej przez nie energii zależy jednak od ilości wody, przepływającej akurat w rzece, elektrownie przepływowe nie posiadają bowiem zbiornika wodnego. W Polsce największe znaczenie wśród tego typu hydroelektrowni mają niskospadowe elektrownie z zaporami ziemnymi, wyposażone w turbiny Kaplana lub turbiny rurowe. Największą elektrownią przepływową w Polsce jest elektrownia we Włocławku (160 MW).

Elektrownie przepływowe Stopień wodny Włocławek

Elektrownie przepływowe Stopień wodny Włocławek

Elektrownie zbiornikowe (regulacyjne) Jest w mniejszym stopniu niż przepływowa uzależniona od ilości energii, dostarczanej w danym momencie przez wodę. Dzięki znajdującemu się przed nią zbiornikowi wodnemu, elektrownia zbiornikowa może produkować energię o większej mocy, niż moc odpowiadająca chwilowemu dopływowi, może też reagować na zmieniające się zapotrzebowanie na energię i dostosowywać się do sezonowych wahań ilości przepływającej wody. Ten typ hydroelektrowni reprezentowany jest najczęściej przez duże elektrownie wodne.

Elektrownie zbiornikowe (regulacyjne) Źródła rzek znajdują się na terenach wyżej położonych niż ich ujścia. I właśnie dzięki temu możliwy jest swobodny spływ ogromnej masy wody rzecznej z punktów o wyższej energii potencjalnej do punktów gdzie energia potencjalna wody jest mniejsza. Ta różnica energii potencjalnej zamieniana jest na energie kinetyczną. Elektrownie wodne zamieniają energię kinetyczna płynącej wody na energię elektryczną.

Elektrownie zbiornikowe (regulacyjne)

Elektrownie derywacyjne Małe elektrownie wodne, które wykorzystują kanał derywacyjny. Kanał taki przecina w poprzek naturalne zakole rzeki sztucznie zwiększając wysokość spadu elektrowni. W takim kanale jest umieszczana turbina.

Elektrownie pływowe To elektrownia wodna wykorzystująca do produkcji energii elektrycznej przypływy i odpływy morza bądź oceanu, spowodowane przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca i w mniejszym stopniu - Słońca oraz ruchem obrotowym Ziemi. By wykorzystać energię pływów, ujścia rzek przegradza się zaporami, wyposażonymi w turbiny, poruszane przez wodę, wpływającą w czasie przypływu do zbiornika, a w czasie odpływu wypływającą (uwalnianą) z niego z powrotem do morza. Na angielskim, francuskim i hiszpańskim wybrzeżu Oceanu Atlantyckiego energię pływów wykorzystywano już w XI wieku, gdy zmagazynowana za niewielkimi zaporami woda służyła do napędzania kół wodnych, mielących ziarna. Pierwsza i zarazem największa elektrownia pływowa świata została uruchomiona w 1966 roku we Francji przy ujściu rzeki La Rance do kanału La Manche, w miejscu, gdzie maksymalna amplituda pływów wynosi 13,5 m, a minimalna 5 m i gdzie młyny wodne pracowały już od XII wieku. Ten osiągający 100% mocy przy spadzie wynoszącym 6 m zakład wyposażony jest w 24 turbiny wodne o mocy 10 MW.

Elektrownie pływowe Energię pływów można wykorzystywać tylko w około 20 rejonach świata, w niektórych miejscach jednak jej zasoby są całkiem spore: na przykład Wielka Brytania, wykorzystując energię pływów mogłaby pokryć około 20% swoich potrzeb energetycznych. Zaletą elektrowni pływowych jest także stuletni okres eksploatacji. Poza krajami wymienionymi wcześniej, elektrownie pływowe posiadają też Chiny, Rosja i Wielka Brytania, a ich uruchomienie planują Korea Południowa i Indie. W Polsce wykorzystanie energii pływów nie jest możliwe.

Elektrownie pływowe

Elektrownie pływowe

Elektrownie pływowe Podwodne wiatraki W latach dziewięćdziesiątych wymyślono bardziej ekologiczny sposób wykorzystania energii przypływów - podmorskie młyny. Kręcą się one dzięki prądom morskim wywołanym przez ruchy mas wody. Skrzydła sprzęgnięte z turbiną poruszają się pod naporem pchanej przypływem wody. Zaś w momencie, gdy zaczyna się odpływ, cały wiatrak obraca się o 180 stopni i jego skrzydła ponownie napędzają turbinę z tą samą siłą. W porównaniu do pierwszych projektów tych elektrowni wprowadzono pewne zmiany. Po pierwsze, skrzydła wiatraków znajdują się na głębokości, która zapewnia bezpieczną żeglugę. Po drugie, skrzydła obracają się na tyle wolno, że w żaden sposób nie zagrażają rybom. Dużą zaletą jest także to, że na funkcjonowanie elektrowni nie mają wpływu warunki atmosferyczne.

Elektrownie pływowe Podwodne wiatraki W tej chwili na świecie testowanych jest ponad 50 różnych opatentowanych sposobów na zamianę siły pływów morskich w energię elektryczną. Mało tego, można już mówić o swoistym globalnym wyścigu na zajęcie najlepszych pozycji do budowy farm pływowych.

Elektrownie pływowe Podwodne wiatraki Pierwsza w świecie komercyjna elektrownia SeaGen wykorzystująca podwodne wiatraki została przyłączona do sieci energetycznej w Irlandii Północnej. Dysponuje ona mocą 1,2 megawata, a składa się z dwóch zanurzonych turbin, które generują energię z prądów wodnych. System SeaGen ma do roku 2015 produkować nawet 500 MW.

Elektrownie pływowe Podwodne wiatraki

Elektrownie pływowe Podwodne wiatraki

Elektrownie pływowe WaveRoller WaveRoller ma czerpać energię z fal przydennych, dlatego jego montaż planuje się niedaleko od brzegów, w stosunkowo płytkich miejscach. Całość przypomina rozłożoną na dnie stalową sieć, do której przymocowane są ruchome tablice, poruszające się wahadłowo zgodnie z ruchem fal. Do każdej tablicy przytwierdzony jest hydrauliczny tłok, którego ruchy wytwarzają energię. Ta z kolei przekazywana jest do generatora, stojącego na brzegu.

Elektrownia maremotoryczna Elektrownie maremotoryczne to elektrownie wykorzystujące fale morskie do pozyskania energii. Można rozróżnić wiele typów tego rodzaju elektrowni. Jedne zamieniają pionowy ruch falowania powierzchni morza do uruchomienia obrotowych turbin. Innym rozwiązaniem jest wykorzystanie wody jako tłoka, wpychającego do ogromnych sztolni powietrze, które z kolei napędza turbiny. Do nowatorskich sposobów pozyskiwania energii można zaliczyć tratwy i kaczki. Każda tratwa składa się z trzech części połączonych ze sobą zawiasami i poruszających się na falach. Pionowy ruch fal porusza tłoki pomp znajdujących się w środkowej części tratwy. Pompowana woda napędza turbinę sprzężoną z generatorem. Kaczki zaś w przeciwieństwie do tratw wykorzystują poziome ruchy wody morskiej. Łańcuchy kaczek umieszczone na długim pręcie podskakując na falach niezależnie od siebie wprowadzają w ruch tłoki pomp. Pompowana woda napędza turbiny. Kaczki o małej mocy służą od lat do oświetlenia boi.

Elektrownia maremotoryczna Pelamis Pierwsza komercyjna elektrownia falowa została uruchomiona pod koniec 2006 roku na wodach Atlantyku w Portugalii. Urządzenie opatentowane i skonstruowane przez szkocką firmę OPD otrzymało nazwę Pelamis, po grecku wąż morski. Każdy z trzech, zacumowanych 5 km od brzegu, węży mierzy 120 metrów długości i składa się z kilku cylindrów połączonych specjalnymi przegubami. Fale wprawiają stalową konstrukcję w wężowy ruch, co powoduje nieustanne zmiany położenia poszczególnych modułów względem siebie. Za pomocą specjalnego układu hydraulicznego, ruch ten zamieniany jest w energię elektryczną. Łączna moc trzech szkockich węży wynosi około 2,2 MW.

Elektrownia maremotoryczna Pelamis

Elektrownia maremotoryczna Salter Kaczka Słona Kaczka, jest to urządzenia pływające, które wytwarza energię elektryczną poprzez harmoniczny ruch pływających części tych urządzeń, w odróżnieniu od stałych systemów, które używają stałych turbin które są zasilane ruchem fal morskich. W tych systemach urządzenia podnoszą się i opadają zgodnie z ruchem fal i elektryczność jest wytwarzana w wyniku tego ruchu. Kaczka jest zdolna produkować energię z dużą wydajnością, jednakże, jej rozwój został zahamowany w latach osiemdziesiątych z powodu błędnej kalkulacji kosztów produkcji energii.

Elektrownie pływowe Oscylująca kolumna wodna Oscylująca kolumna wodna wytwarza energię elektryczną w trakcie dwustopniowego procesu. Kiedy nadchodząca fala wpłynie do kolumny wymusi ruch powietrza ku górze poprzez turbinę. Kolumna jest zamknięta od góry, więc nastąpi zwiększenie ciśnienia powietrza w kolumnie. Podczas odpływu powietrze jest wypychane z powrotem, również poprzez turbinę z powodu zmniejszającego się ciśnienia części kolumny od strony oceanu.

Elektrownia maretermiczna Nazywana również oceanotermiczną, produkuje energię elektryczną z energii cieplnej, której źródłem jest różnica temperatur miedzy ciepłymi warstwami powierzchniowymi a zimnymi warstwami głębinowymi morza. Taka, mniej więcej stała, niezależna od pory dnia i roku różnica występuje w strefie równikowej, gdzie w niektórych miejscach istnieje spory potencjał energii maretermicznej. Na przykład w Indiach, na wybrzeżach stanu Tamil Nadu mogłyby powstać instalacje o łącznej mocy 10 000 MW. Elektrownie maretermiczne wykorzystują jako czynnik roboczy amoniak, freon bądź propan, które parują w wynoszącej około 30 st. C temperaturze wody powierzchniowej i następnie są skraplane przy pomocy wody o temperaturze około 7 st. C, czerpanej z głębokości 300-500 m. Zakłady maretermiczne pracują na Hawajach (40 MW), w Japonii (10 MW), na Bali i Tahiti (po 5 MW). Dużym problemem w takiej instalacji jest korozja materiałów w wodzie morskiej i osadzanie się na powierzchniach wymienników ciepła organizmów morskich, rozwijających się w ciepłej wodzie. Sprawność elektrowni maretermicznej wynosi 2,5% przy różnicy temperatury 20 C, a 6% przy różnicy 40 C.

Elektrownia maretermiczna

Elektrownie szczytowo-pompowa Posiadają dwa zbiorniki wodne: górny i dolny. Funkcje zbiorników górnych mogą pełnić zarówno zbiorniki sztuczne, jak i naturalne, jak na przykład jeziora. Jako zbiorniki dolne wykorzystywane są zaś jeziora, spiętrzone doliny rzek, stare sztolnie kopalniane i specjalnie zbudowane zbiorniki sztuczne. W okresie małego zapotrzebowania na energię, elektrownia przepompowuje wodę ze zbiornika dolnego do górnego, gromadząc w ten sposób energię potencjalną. Jest to praca pompowa (silnikowa) hydroelektrowni. Z kolei pracę turbinową (generatorową) elektrownia wodna wykonuje, gdy zapotrzebowanie na energię wzrasta. Uwalnia się wtedy wodę ze zbiornika górnego, by spływając do dolnego napędzała produkującą prąd turbinę. W ciągu doby elektrownie szczytowo-pompowe są uruchamiane 1-2 razy w cyklu pracy pompowej i turbinowej, co pozwala wyrównywać maksymalne i minimalne czyli szczytowe obciążenia systemu energetycznego.

Elektrownie szczytowo-pompowe Elektrownie szczytowo-pompowe są kosztowne, trudno jednak znaleźć alternatywną formę magazynowania tak dużych ilości energii. Poza tym nakłady inwestycyjne można zmniejszyć, wyposażając elektrownię w odpowiednio duży spad. Im większy jest bowiem spad, tym mniejsza wymagana jest pojemność zbiorników. Wysokość spadu w elektrowniach szczytowo-pompowych powinna przekraczać 100 m. Elektrownie szczytowo-pompowe są magazynami energii, pełnią także istotną rolę interwencyjną w przypadkach awarii systemu elektroenergetycznego. W razie nagłego niedoboru mocy, elektrownia uruchamiana jest do pracy turbinowej, jeśli zaś nagle wystąpi nadmiar mocy, zakład podejmuje pracę pompową. W Polsce na elektrownie szczytowo-pompowe przypada najwięcej, bo około 1350 MW mocy zainstalowanej, spośród około 2100 MW, posiadanych ogółem przez elektrownie wodne. Najbardziej znane polskie elektrownie szczytowo-pompowe to Żarnowiec, Porąbka-Żar i Żydowo.

Elektrownie szczytowo-pompowe

Elektrownie szczytowo-pompowe Największe elektrownie szczytowo-pompowe w Polsce Nazwa elektrowni Moc zainstalowana [MW] Żarnowiec 716 Porąbka-Żar 500 Solina - Myczkowce 200 Żydowo 156 Elektrownia wodna Żydowo była pierwszą polską elektrownią szczytowo-pompową (rok budowy 1971r.)

Elektrownie szczytowo-pompowe Elektrownia Wodna Żarnowiec Rok budowy: 1983 r. Moc pracy turbinowej: 716 MW Moc pracy pompowej: 800 MW Turbiny typu Francis Generatory synchroniczne Zbiornik górny stanowi "akumulator" energii elektrycznej w ilości 3,6 GWh Dno opróżnionego zbiornika górnego pomieściłoby 130 boisk piłkarskich

Hydrosfera Ziemi zawiera ok. 1,370*10^9 km^3 wody. Skład hydrosfery: Morza i oceany 97,25 % Lodowce, góry lodowe, wieczne zmarzliny i lądolody 2,14 % Woda gruntowa 0,61% Jeziora 0,009% Chmury i deszcz 0,0005 % Rzeki 0,0001% W wyniku procesów fizykochemicznych i biochemicznych woda zawarta w hydrosferze jest w ciągłym obiegu. Siłą napędową tego procesu jest energia słoneczna, energia geotermalna i energia grawitacyjna. Światowy potencjał hydroenergetyczny szacuje się na ok. 2,857 TW. Z tego potencjału wykorzystuję się i przetwarza w energię elektryczną 0,152 TW, co stanowi 5,5 %.

67

68

L.p. Wykorzystanie technicznego potencjału hydroenergetycznego w wybranych krajach Unii Europejskiej Kraj Potencjał, TWh/rok Produkcja, GWh/rok Wykorzystanie, % Udział w bilansie, % 1 Austria 56 39 931 71.3 63.9 2 Finlandia 20 10 776 53.9 14.4 3 Francja 72 61 103 4 Grecja 15 2 800 18.7 5.1 5 Hiszpania 70 23 038 32.9 9.4 6 Irlandia 1 912 91.2 3.6 7 Litwa 3 354 11.8 2.0 8 Łotwa 6 2 463 41.1 62.0 9 Niemcy 26 23 124 88.9 4.0 10 Polska 14 2 278 16.3 1.6 11 Portugalia 25 7 800 31.2 16.9 12 Republika Czeska 4 2 492 62.3 3.3 13 Słowacja 7 5 268 75.3 16.2 14 Słowenia 9 3 403 37.8 23.2 15 Szwecja 130 66 529 51.2 45.6 16 Węgry 5 194 3.9 0.5 17 Włochy 105 39 519 37.6 13.9 18 Zjednoczone Królestwo 4 785 1.2 Unia Europejska > 571 297 386 52.1 9.9 84.9 10.9

Wody powierzchniowe zajmują 8313 km^2 ( 2,7 % powierzchni Polski). Zasoby wód uzupełniane są w 97% przez opady i w 7 % przez dopływ spoza granic Polski. Około 70% wody wraca do atmosfery przez parowanie i transpirację, reszta spływa rzekami. Teoretyczne wykorzystanie wody na potrzeby gospodarcze i energetyczne szacuję się na 7km^3/a. Dla polskich rzek potencjał teoretyczny wnosi 23 TWh/a, ekonomiczny 8,5 TWh/a, zaś techniczny 12,1 TWh/a.

71

Według Teoretycznego i technicznego katastru sił wodnych Polski opracowanego przez działający w latach 1953-61 zespół specjalistów pod kierunkiem prof. A.Hoffmanna: potencjał teoretyczny ocenia się na 23 TWh/rok, potencjał techniczny na 12 TWh/rok, natomiast ekonomiczny na 8,5 TWh/rok. Opracowaniem objęto wszystkie rzeki lub ich odcinki o potencjale jednostkowym przekraczającym 100 kw/km

Ponieważ ocena potencjału technicznego odzwierciedla stan techniki z lat 50-tych, w środowisku hydroenergetyków coraz częściej mówi się dziś o potrzebie aktualizacji tych danych. Już od wielu lat część specjalistów uważa, że do potencjału 12 TWh/rok (12 000 GWh/rok) dodać należy potencjał: 1.7 TWh/rok, związany z małymi rzekami i innymi ciekami, na których można instalować wyłącznie małe elektrownie wodne.

L.p. System wodny Potencjał GWh/rok 1 Wisła z dorzeczem 9270 2 Wisła 6177 3 Wisła górna 518 4 Wisła środkowa 1067 5 Wisła dolna 4592

L.p. System wodny Potencjał GWh/rok 6 Dopływy lewobrzeżne Wisły 513 7 Nida 38 8 Pilica 170 9 Bzura 33 10 Brda 119 11 Wda 64 12 Wierzyca 39 13 Pozostałe 50

L.p. System wodny Potencjał GWh/rok 14 Dopływy prawobrzeżne Wisły 2580 15 Soła 90 16 Skawa 66 17 Raba 64 18 Dunajec 814 19 Wisłoka 126 20 San 714 21 Wisłok 74 22 Wieprz 66 23 Bug 309 24 Narew 179 25 Drwęca 60 26 Inne małe rzeki -

L.p. System wodny Potencjał GWh/rok 27 Odra z dorzeczem 2400 28 Odra 1273 29 Odra górna 429 30 Odra środkowa 596 31 Odra dolna 248

L.p. System wodny Potencjał GWh/rok 32 Dopływy lewobrzeżne Odry 619 33 Nysa Kłodzka 134 34 Bóbr 320 35 Kwisa 45 36 Nysa Łużycka 76 37 Pozostałe 44

L.p. System wodny Potencjał GWh/rok 38 Dopływy prawobrzeżne Odry 507 39 Warta 351 40 Gwda 43 41 Drawa 43 42 Pozostałe 70

L.p. System wodny Potencjał GWh/rok 43 Rzeki przymorza 280 44 Rega 30 45 Parsęta 29 46 Słupia 40 47 Pasłęka 40 48 Łyna 66 49 Pozostałe 75 50 RAZEM (poz. 1 + 27 + 43) 11950 GWh/rok

Potencjał hydroenergetyczny teoretyczny techniczny Wisła z dopływami 16457 9270 Wisła 9305 6177 Dopływy lewobrzeżne 892 513 Dopływy prawobrzeżne 4914 2580 Odra z dopływami 5966 2400 Odra 2802 1273 Dopływy lewobrzeżne 1615 619 Dopływy prawobrzeżne 1540 507 Rzeki Przymorza 582 280 Razem 23005 11950 Produkcja roczna (2002): 2276 GWh (tylko dopływ naturalny)

Dodatkowy potencjał hydroenergetyczny Polsce: 1.7 GWh/rok (?) 10-20 m 3 /s 8% >20 m 3 /s 6% 2-10 m 3 /s 30% 0,02-2m 3 /s 56%

W 2003 r., moc generacyjna elektrowni wodnych sięgnęła 2236 MW, z czego: - 534 MW przypadało na elektrownie klasyczne - 371 MW na elektrownie z członem pompowym Produkcja roczna z dopływu naturalnego kształtuje się od szeregu lat na poziomie 2000±300 GWh, zależnie od warunków hydrologicznych Jedną trzecią tej produkcji dostarcza Elektrownia Wodna Włocławek Polska wykorzystuje zaledwie 16 18 % swojego potencjału technicznego i nie więcej niż 23 % potencjału ekonomicznego. Udział energetyki wodnej w bilansie energetycznym kraju wynosi 1.6 %. Wykorzystanie naszego potencjału technicznego jest zdecydowanie niższe niż w większości krajów Unii Europejskiej. Wśród krajów posiadających liczący się potencjał (> 1 TWh/rok), mniejsze jego wykorzystanie obserwuje się jedynie na Węgrzech i na Litwie, które w sposób radykalny ograniczyły rozwój energetyki wodnej, powołując się na względy ekologiczne.

Lp Nazwa EW Rzeka Rok uruch. P t (MW) P p (MW) H n 1 Żarnowiec Piaśnica 1983 716,0 800,0 117,0 2 Porąbka-Żar Soła 1979 500,0 540,0 432,0 3 Solina San 1968 200,0 60,0 43,0 4 Włocławek Wisła 1970 160,2-8,8 5 Żydowo Radew 1971 156,0 136,0 77,4 6 Niedzica Dunajec 1997 92,8 89,0 42,2 7 Dychów Bóbr 1936/51* 79,5 30,0 29,8 8 Rożnów Dunajec 1942 50,0-26,5 9 Koronowo Brda 1961 26,0-26,0 10 Tresna Soła 1967 21,0-20,4 85

Elektrownia ma moc 140 MW. Z czterech turbozespołów dwa o łącznej mocy 96 MW produkują energię, dwa dalsze (40 MW) w dzień wytwarzają energię, a w nocy pompują wodę z Jeziora Myczkowieckiego do Solińskiego. 86

87

88

Polskie Elektrownie Wodne Włocławek Elektrownia przepływowa Pilchowice I Elektrownia zbiornikowa Żarnowiec Elektrownia szczytowo-pompowa Solina Elektrownia zbiornikowa 89

Do zalet zaliczamy: Nie zanieczyszczają środowiska spalinami i pyłami Nie zużywają paliwa naturalnych Modułowe Tańsze w eksploatacji niż konwencjonalne Wytwarzanie energii elektrycznej jest tańsze w nich 8-10 razy tańsze Mają większą sprawność niż konwencjonalne Stanowią zabezpieczenie przeciwpowodziowe

Do wady dużej energetyki wodnej zaliczamy: Ingerują w środowisko (wędrówka ryb na tarło, rozwój narybku, likwidują miejsca lęgowe ptactwa itd.); Nakłady inwestycyjne na ich budowę są2-3 krotnie większe w porównaniu z nakładami na elektrownie konwencjonalne; Przyczyniają się do zmiany struktury hydro logicznej (podniesienie poziomu wód gruntowych przed zaporą i obniżenie za zaporą); Są przyczyną zamulania zbiorników, które prowadzi do odtlenienia wody i zamierania w niej życia;

Elektrownia wodna Itaipu na Paranie, na granicy Brazylii i Paragwaju o mocy zainstalowanej 12600 MW.

Zapora Trzech Przełomów o zainstalowanej mocy 22500 MW. W elektrowni tej pracują 32 turbiny Francisa.

Zapora Trzech Przełomów Zapora Trzech Przełomów jest największą hydroelektrownią na świecie pod względem mocy. Moc elektrowni ma wynosić 22,500 MW (obecnie 18,2 tys. MW), niemal półtora raza więcej, niż wynosi moc największej obecnie elektrowni wodnej Itaipu na granicy Brazylii i Paragwaju. Będzie posiadać 32 (obecnie 26) generatorów, każdy o mocy 700 MW. Po napełnieniu zbiornika i uruchomieniu wszystkich turbin spodziewana roczna produkcja będzie wynosić 84,7 TWh uczyni ją drugą największą hydroelektrownią świata pod względem wytwarzanej energii. Budowa Zapory Trzech Przełomów, która wymusiła przesiedlenie ponad miliona ludzi, to największy projekt energetyczny na świecie. Ma zapewnić mieszkańcom Chin dostawy taniej energii, a także poddać kontroli kapryśną rzekę Jangcy, która co roku grozi wylaniem. W 1998 r. powódź w dorzeczu Jangcy pochłonęła 4 tys. istnień ludzkich. Inwestycja stała się obiektem krytyki licznych środowisk: historyków, geologów oraz ekonomistów. Zawarte w nazwie Trzy Przełomy są jedną z bardziej znanych chińskich atrakcji turystycznych ulokowanych na rzece Jangcy. Po zakończeniu budowy zostaną one zalane.

Zapora Trzech Przełomów

Zapora Trzech Przełomów

Zapora Trzech Przełomów

Elektrownia wodna Guri (Raul Leoni) o mocy 10300 MW

LP Nazwa zapory Moc zainstalowana Data oddania do użytku Kraj Rzeka 1 Turukhansk 20.000 w budowie Chiny Jenisej 2 Trzech Przełomów 18.200 2009 Chiny Jangcy 3 Itapiu 12600 1983 Brazylia/Paragwaj Parana 4 Xiluodu 12.600 w budowie Chiny Jinsha Jiang 5 Guri (Raul Leoni) 10.300 1986 Wenezuela Rio Caroni 6 Tucurui 7.960 1984 Brazylia Tocantins 7 Grand Coulee 6.495 1941 USA Columbia River 8 Sajano Schuschensker 6.400 1980 Rosja Jenisej 9 Krasnojarsk 6.000 1972 Rosja Jenisej 10 Corpus Posadas 6.000 1984 Argentyna/Paragwaj 99

Zalety elektrowni wodnych Brak emisji zanieczyszczeń do środowiska Oszczędzanie zasobów złóż energetycznych Brak produkcji odpadów Rosnąca efektywność i sprawność technologii Niższe koszty eksploatacji niż w elektrowniach konwencjonalnych Niższe koszty wytwarzania energii elektrycznej (8-9%) Większa sprawność niż elektrowni konwencjonalnych Długi okres eksploatacji Możliwość szybkiego zatrzymania i uruchomienia elektrowni Sztuczne zbiorniki wodne gromadzą wodę, zmniejszając ryzyko powodzi Małe problemy przy utrzymywaniu i eksploatacji Zbiorniki elektrowni mogą być równocześnie miejscem hodowli ryb Woda zgromadzona w zbiornikach górnych elektrowni szczytowo-pompowych może służyć do magazynowania energii

Wady elektrowni wodnych Ingerencja w środowisko naturalne 2-3 krotne zwiększenie nakładów inwestycyjnych(budowa) w porównaniu z elektrownią konwencjonalną Powodowanie zmian struktury hydrologicznej Konieczność zalania dużych obszarów i przesiedlenia ludzi Lokalne zmiany klimatyczne Są przyczyną zamulania zbiorników, które prowadzi do odtlenienia wody i zamierania w niej życia

Większości z wymienionych wad dużej (zawodowej) energetyki wodnej nie ma ME, dla której kryterium klasyfikacyjnym jest moc zainstalowana w Polsce do 5 MW, we Francji, Austrii i Niemczech do 10 MW oraz 2 MW w Skandynawii, Szwajcarii i we Włoszech. MEW Szaflary W małych elektrowniach wodnych produkuję się prąd elektryczny na potrzeby lokalne, ale także można wykorzystać energię mechaniczną wody do mielenia zboża, napędu kuźni itd.

Podział małej energetyki wodnej: Ze względu na kryterium mocy: Mikro-energetyka >70 kw Makro-energetyka >100 kw Mała energetyka <5 MW Ze względu na kryterium spadu: Derywacyjne Przepływające po rzece Nisko-spadowe 2-20 m Średnio-spadowe <150 m Wysoko-spadowe >150 m MEW Chwarszczany

Układ Małej Elektrowni Wodnej Zbiornik górny Tama i przelew Spad (m) Budynek elektrowni Krata RRRR ur oci ąg Transformator Linie przesyłowe Stacja rozdzielcza Przepływ (m 3 /s) Generator RRRR er a ssąca Moc w kw 7 x Spad x Przepływ Turbina Kanał odpływowy

Małe Elektrownie Wodne Małe nie jest określeniem jednoznacznym Wielkość elektrowni nie zależy jedynie od mocy elektrycznej Typowa ale również od RETScreen wielkości przepływu i Moc Przepływ spadku wody Micro RETScreen Średnica wirnika < 100 kw < 0,4 m 3 /s < 0,3 m Mini 100 to 1 000 kw 0,4 to 12,8 m 3 /s 0,3 to 0,8 m Małe 1 to 50 MW > 12,8 m 3 /s > 0,8 m

Typy MEW Typ sieci Centralna sieć elektroenergetyczna Sieć wydzielona lub praca poza siecią Typ prac hydrotechnicznych Elektrownia przepływowa Bez magazynowania wody Moc uzależniona od aktualnego przepływu wody w rzece: mniej stabilna wydajność Elektrownia zbiornikowa 17,6 MW Elektrownia przepływowa, Massachusetts, USA Zdjęcie: PG&E National Energy Group/ Low Impact Hydropower Institute 4,3 MW Elektrownia przepływowa, Oregon, USA Zdjęcie: Frontier Technology/ Low Impact Hydropower Institute

Elementy MEW: Prace hydrotechniczne Zwykle stanowią 60% kosztów początkowych Tama wodna lub jaz Niskie zapory o prostej konstrukcji Betonowe, drewniane, murowane Sam koszt zapory może być przeszkodą w realizacji projektu Kanał wodny Ujęcie wody z kratą i zasuwą; kanał odpływowy na wyjściu z elektrowni Kanał, tunel podziemny i/lub rurociąg zasilający Zawory/zasuwy odcinające na wejściu i wyjściu turbiny, umożliwiające jej konserwację Zdjęcie: Ottawa Engineering

Elementy MEW: Turbina Mniejsze wersje modeli dużych turbin wodnych Osiągalna sprawność na poziomie 90% W elektrowniach przepływowych przepływ jest zmienny Turbina powinna dobrze funkcjonować przy różnym zakresie natężenia przepływu lub należy zastosować układ turbin Reakcyjne: Francisa, z kierownicą stałą, Kaplan a Dla zastosowań przy małym i średnim spadku wody Turbiny zanurzone wykorzystują ciśnienie wody i energię kinetyczną Akcyjne: Peltona, Turgo, krzyżowa Dla dużych spadków Wykorzystują energię kinetyczną strumienia wody o dużej prędkości Turbina Peltona Zdjęcie: PO Sjöman Hydrotech Consulting Turbina Francisa Zdjęcie: PO Sjöman Hydrotech Consulting

Elementy: Urządzenia elektryczne i inne Generator Asynchroniczny Musi być połączony z innymi generatorami Używany do zasilania dużych sieci Synchroniczny Może pracować niezależnie od innych generatorów Stosowany w systemach samodzielnych i w sieci wydzielonej Pozostałe wyposażenie Przekładnia łącząca turbinę z generatorem Zawory, elektronika, urządzenia zabezpieczające Transformator

Duża specyfika miejscowa: konieczne jest określenie warunków hydrologicznych rzeki! Zmiana poziomu rzeki na krótkim odcinku (spadek) Dopuszczalne zmiany przepływu w czasie: krzywa przepływów charakterystycznych Przepływ nienaruszalny zmniejsza przepływ do produkcji energii Wyznaczanie krzywej przepływ ywów bazuje na Pomiarach przepływu w okresach czasu Rozmiar zlewni, specyfika odpływu oraz kształt krzywej okresowej przepływów Przepływ (m 3 /s) 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Krzywa okresowa przepływów 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Procent czasu występowania przepływu wymaganego lub wyższego (%)

Koszty MEW Koszty MEW w 75% zależą od specyfiki terenu Wysokie koszty początkowe Jednak budowle wodne i urządzenia mogą służyć nawet powyżej 50 lat Bardzo niskie koszty pracy i konserwacji Zwykle wystarcza jeden niepełnoetatowy pracownik Zdjęcie: Ottawa Engineering Okresowa konserwacja podstawowych urządzeń, zlecana jest na zewnątrz Rozwój elektrowni o dużym spadku prowadzi do obniżenia kosztów Typowy przedział: 1 200 $ do 6 000 $ za kw mocy zainstalowanej

Mankamenty MEW: Trudności techniczne związane z realizacją małej energetyki wodnej są spowodowane zazwyczaj: złym stanem technicznym obiektów hydrotechnicznych, zwłaszcza zamuleniem, zarośnięciem zbiorników i kanałów dopływowych lub odpływowych, uszkodzeniem zapór, urządzeń piętrzących i upustowych, dewastacją budynków lub ich całkowitą ruiną, podmyciem budynku, a także znacznym zużyciem lub brakiem wyposażenia mechanicznego i elektrycznego Brak możliwości nabycia na krajowym rynku odpowiedniego wyposażenia, zwłaszcza takich podstawowych elementów turbozespołu, jak: turbin (praktycznie jedynie dostępnym typem turbin jest turbina Banki, inne możliwości to remont starych turbin, już nie eksploatowanych), układów regulacyjnych i niektórych typów prądnic Brak wyspecjalizowanych przedsiębiorstw przystosowanych do wykonywania robót hydrotechnicznych i mechaniczno-montażowych w małych elektrowniach wodnych; 112

Zalety MEW zaliczamy: Nie zanieczyszczają środowiska i mogą być instalowane w licznych miejscach na małych ciekach wodnych Mogą być zaprojektowane i wybudowane w ciągu 1-2 lat, wyposażenie jest dostępne powszechnie, a technologia dobrze opanowana Prostota techniczna powoduje wysoką niezawodność i długą żywotność Wymagają nielicznego personelu i mogą być sterowanie zdalnie Rozproszenia w terenie skraca odległości przesyłu energii i zmniejsza związane z tym koszty 113

114

Falowanie morza czy oceanu powstaje a skutek działania siły prowadzącej do zaburzenia równowagi powierzchniowej warstwy wody. Falowanie nie jest ruchem postępowym, lecz pozornym jej przemieszczeniem. To, co wydaje się nam falowaniem morza w rzeczywistości jest tylko przenoszeniem formy fali. Obserwowane na powierzchni morza fal różnią się kształtem, rozmiarem, kierunkiem i prędkością. 115

wiatrowe baryczne pływowe sejsmiczne (tsunami) okrętowe 116

wysokość fali (H), różnica w pionie między najwyższym punktem grzbietu fali, a punktem najniższym w dolinie długość fali (L), najkrótsza pozioma odległość między sąsiednimi grzbietami fali lub dolinami grzbiet fali, część jej wzniesienia nad powierzchnią spokojnego morza dolina fali, zagłębienie między sąsiednimi grzbietami fal okres fali (T), czas jednego pełnego obrotu cząstki wody po orbicie ( jest to czas potrzebny na przejście jednej długości fali) prędkość (c), prędkość rozchodzenia się profilu fali, gdzie stromość (K), stosunek wysokości fali do jej połowy długości. 117

Użytecznych zasobów na świecie szacuje się na poziomie 2-3 TW 118

Znając już przyczyny powstawania fal, jak również jej parametry, możemy obliczyć moc fali przypadającą na jednostkę długości jej czoła: [W/m] gdzie: ρ gęstość wody [kg/m 3 ], g przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ], H wysokość fali [m], L długość fali [m], T okres fali [s]. 119

Przy przekształceniu energii fal na energię elektryczną wykorzystuje się następujące efekty falowe: zmianę poziomu wody kołysanie wzdłużne wody przestrzenny rozkład prędkości wody zmianę nachylenia powierzchni swobodnej ciśnienie hydrostatyczne 120

Istnieje dotychczas 5 grup urządzeń wytwarzających energię elektryczną bazujących na efektach wymienionych wcześniej, które dzielimy na: Mechaniczne Pneumatyczne 121

Hydrauliczne Indukcyjne Pozostałe np. Kaczka Saltera 122

Pelamis P-750 Elektrownia falowa Pelamis P-750, została zaprojektowana przez firmę Ocean Power Delivery. Elektrownia ma 150 metrów długości, składa się z 4 cylindrycznych sekcji o średnicy 3,5 metra, a całe urządzenie waży 700 ton. Sekcje są połączone ze sobą specjalnymi przegubami tzw. Power Conversion Modules. Właśnie one odpowiadają za wytwarzanie energii elektrycznej. W roku 2008 została uruchomiona pierwsza na świecie tego typu elektrownia wodna u wybrzeży Póvoa de Varzim w Portugalii. Składa się ona z 3 maszyn o łącznej mocy 2,25MW. Moc ta wystarcza na zaspokojenie zapotrzebowania na energię elektryczną średnio 1500 domów. 123

Wave Dragon Wave Dragon (schemat przedstawiony na rys) jest to duński projekt elektrowni falowej typu hydraulicznego. Pierwsze prace badawcze prototypu w skali 1:4,5 rozpoczęły się w marcu 2003. Roczna wydajność takiej elektrowni wynosi od 12 do 35 kwh 124

Elektrownia Wave Energy Star Wave Energy Star jest to projekt elektrowni falowej,która pracowała od kwietnia 2006 w Nissum Bredning na północnozachodnim wybrzeżu Danii. Wave Energy Star zaprojektowane w skali 1:10 jest konstrukcją, która na stałe jest zakotwiczona na głębokości kilku metrów, ma 24 metry długości. Wzdłuż całej konstrukcji są zamieszczone po obu stronach 20 pływaków. Maszyna na wyjściu ma moc 5,5kW. 125

AquaBouy 2.0 Projekt firmy Finavera Renewables specjalnej pływającej boi wykorzystującej energię kinetyczną fal do produkcji energii elektrycznej. Bojka ma długość 20 metrów i średnicę 3 metrów. Boje mogą być łączone w system generujący moc od kilkuset kilowatów do kilkuset megawatów. Planowane jest zainstalowanie takiego typu elektrowni u wybrzeży Portugalii o początkowej mocy 2 MW a docelowo rozbudowy do 100 MW. 126

Elektrownie pneumatyczne WaveGen Elektrownia Limpet wykorzystująca energię fal morskich pracuje na wyspie Islay u zachodnich wybrzeży Szkocji i ma moc 500 kw. Instalacja ta wykorzystuje koncepcję kolumny wodnej oscylującej w nachylonej rurze, której wylot zanurzony jest pod poziomem morza. Przepływające fale wywołują oscylację poziomu wody w rurze i przemienne sprężanie i rozprężanie uwięzionego w niej powietrza. Druga elektrownia podobnej konstrukcji została uruchomiona w 2002 r. u wybrzeży Australii w Port Kembla, również o mocy 450 kw. 127

Za energia fal morskich przemawia kilka istotnych faktów: Fale są bardziej przewidywalne od wiatru, Energia fal jest 1000 razy większa niż energia kinetyczna wiatru, co pozwoliłoby na małe i mniej wyraziste urządzenia by wyprodukować tę samą ilość energii, W odróżnieniu od wiatru i promieniowania słonecznego, energia fal może być produkowana całą dobę, jest bardziej płynna i stała, podczas gdy prędkość wiatru zwykle zanika z rana i wieczorem, a energia słoneczna dostępna jest tylko w ciągu dnia i w obszarach o niewielkim zachmurzeniu, Oszacowanie potencjału fal jest znacznie łatwiejsze niż wiatru, co jest ważnym czynnikiem w przyciąganiu inwestorów czy kredytodawców, Elektrownie falowe są urządzeniami cichszymi i nie mają takiego wpływu na walory krajobrazowe, jak to ma miejsce przy elektrowniach wiatrowych, Mniejsze koszty infrastruktury 128

Regularnie i okresowo występujące ruchy wód oceanicznych, wywołane wspólnie działającymi siłami przyciągania Księżyca i Słońca oraz siłami odśrodkowymi, powstającymi względem wspólnego środka obrotu ruchu ciał niebieskich. Siła przyciągania Księżyca działająca na powierzchnię Ziemi powoduje przepływ i wybrzuszenie wody po obu stronach: bliższej Księżycowi i po przeciwległej stronie Ziemi. Wielkość i kierunek przepływu zależą od relacji między grawitacyjną i odśrodkową składową siły pływotwórczej. Do pływów należą: Przypływy Odpływy 129

W różnych rejonach na Ziemi można za obserwować różne rodzaje pływów. Istnieją: Pływy dobowe Pływy półdobowe Pływy syzygijne Pływy kwadraturowe 130

131

132

Aby obliczyć moc z energię pływów posługujemy się wzorami bazującymi na: energii kinetycznej fali pływowej P=0,5*Cp*ρ*A*V^3 gdzie: C p - współczynnik wydajność turbiny; P - moc generowana [W]; ρ - gęstość wody (woda morska średnio=1025 kg/m³, ale waha się między 1021 a 1030 kg/m3); A - powierzchnia wody w obszarze turbiny [m²]; V - prędkości przepływu [m/s 2 ]; energii potencjalnej fali pływowej E=0,5*A*g* ρ*h^2 gdzie: h - pionowy zakres pływów [m], A - w płaszczyźnie poziomej powierzchni zapory wodnej dorzecza [m 2 ], ρ - gęstość wody = 1025 kg/m 3 g - przyspieszenie ziemskie = 9,81 m/s 2. 133

W celu uzyskania energii elektrycznej z energii pływów morskich, rozróżniamy dwie główne metody: Systemy zaporowe (zamknięte) wykorzystujące energię potencjalną w różnicy wysokości pływów. Systemy wykorzystujące energię kinetyczną (otwarte) poruszającej się wody (podobnie jak w turbinach wiatrowych). Europejskie Centrum Energetyki Morskiej (EMEC) sklasyfikowało cztery rodzaje urządzeń wykorzystujące tą właśnie energię: Turbina o poziomej osi przepływu Turbina o pionowej osi przepływu Urządzenia oscylacyjne. Urządzenia wykorzystujące dyszę Venturiego. 134

a) zapora z turbinami w otworach przepływowych, b) turbina napędzana powietrzem sprężanym i rozprężanym wahaniami wody, jest to modyfikacja do konwersji energii falowej, c) turbina i generator pierścieniowy podwieszany do zakotwiczonego pływaka, d) turbina wodna Davisa, e) wodna turbina otwarta, zakotwiczna na dnie, f) turbina wodna Savoniusa utrzymywana w pionie przez pływak i balast 135

Pierwsza elektrownia pływowa we Francji, przy ujściu rzeki Rance, w 1967 roku. Elektrownia typu zaporowego o długości 750 m, ze zbiornikiem o powierzchni 22 km 2, wykorzystująca różnicę poziomu wody równą 8,4m. Moc elektrowni wynosi 240 MW. Pracuje 4 8 h /dobę, wytwarzając 600 GW*h/a energii elektrycznej. Elektrownia wyposażona jest w 24 turbiny rurowe, pracując przy ruchu wody w obu kierunkach. Posiada również turbopompy do dopełnienia zbiornika wodą. Podobnego typu elektrownia znajdują się w Kanadzie (Nowa Szkocja) o mocy 20 MW. 136

SeaGen SenGen jest pierwszą elektrownią komercyjną drugiej generacji. Została skonstruowana prze brytyjskie Marine Current Turbines (MCT) Moc maksymalna elektrowni to 1,2 MW. Została zainstalowana w zatoce Strangford Lough (Irlandia Północna) w maju 2008 roku. Pracuje przez 22 godziny na dobę. Sama konstrukcja waży 300 ton.. Wirnik obracający się z prędkością około 12 obr/min napędza generator przez przekładnię mechaniczną. Trójstopniowa przekładnia (dwie planetarne i jedna zębata, przełożenie prędkości 69,8:1) 137

138