Transcript Energia wodna Wykorzystywana gospodarczo energia mechaniczna płynącej wody. Współcześnie energię wodną zazwyczaj przetwarza się na energię elektryczną (hydroenergetyka, często oparta na spiętrzeniach uzyskanych dzięki.

Energia wodna
Wykorzystywana gospodarczo energia mechaniczna płynącej wody.
Współcześnie energię wodną zazwyczaj przetwarza się na energię
elektryczną (hydroenergetyka, często oparta na spiętrzeniach uzyskanych
dzięki zaporom wodnym). Można ją także wykorzystywać bezpośrednio do
napędu maszyn – istnieje wiele rozwiązań, w których płynąca woda napędza
turbinę lub koło wodne.
Przed wynalezieniem maszyn elektrycznych i upowszechnieniem
elektroenergetyki energię wodną powszechnie wykorzystywano do napędu
młynów, foluszów, kuźni, tartaków i innych zakładów przemysłowych.
W latach 30. XIX wieku, w szczytowym okresie rozwoju transportu
rzecznego, napęd wodny stosowano przy przemieszczaniu barek po
pochylniach pomiędzy odcinkami kanałów na różnych poziomach (pochylnie
takie zachowały się do dziś na Kanale Ostródzko-Elbląskim).
Energia wodna może być znacznie tańsza od spalania paliw kopalnych lub
energii jądrowej. Obszary bogate w energię wodną przyciągają przemysł
niskimi cenami elektryczności. W niektórych krajach o wykorzystaniu energii
wodnej zaczynają decydować względy ekologiczne (troska o ochronę
środowiska), przeważając nad kalkulacją cen.
Podstawy fizyczne
Źródło energii wodnej ocenia się według dostępnej mocy, to jest energii uzyskiwanej w jednostce czasu. Przy wykorzystaniu wody
spadającej z pewnej wysokości dostępna moc wiąże się ze spadkiem hydraulicznym (wysokością, z jakiej spływa woda),
przepływem (ilością wody spływającej w jednostce czasu) i zazwyczaj również z prędkością przepływu. W przypadku gdy woda
spływa ze zbiornika (jezioro, spiętrzenie), spadkiem hydraulicznym jest różnica poziomów pomiędzy lustrem wody w zbiorniku
górnym i wylotem turbiny, ponieważ ciśnienie hydrostatyczne u podstawy wynika wprost z wysokości słupa wody.
Energia potencjalna E, uwalniana podczas spadku ciała o masie m z wysokości h w polu grawitacyjnym o przyspieszeniu g
wynosi
E = mgh.
Elektrownia wodna wykorzystuje energię uwalnianą podczas sterowanego spadku wody z ustalonej wysokości. Energia
wyzwolona w ustalonym czasie t wynika więc z ilości spuszczonej w tym czasie wody:
Podstawiając symbol mocy P za E / t i wyrażając stosunek m / t przez natężenie przepływu i gęstość wody, dochodzimy to
standardowej postaci tego wyrażenia:
P = ρSgh
gdzie S oznacza natężenie przepływu, liczone jako objętość wody wypuszczanej w jednostce czasu, zaś ρ jest gęstością wody.
W układzie jednostek miar SI gęstość ρ wyraża się w kg / m3, przepływ S w m3 / s, przyspieszenie g w m / s2, wysokość h w
metrach, i moc P w watach.
Niektóre urządzenia, np. koło wodne podsiębierne, wykorzystują energię przepływającej wody, nie wymagając do działania
dużego spadku wody. W tym przypadku wyzyskuje się energię kinetyczną przepływającej wody. Teoretycznie maksymalna moc
takiego źródła wynosi:
gdzie v oznacza prędkość wody. Taka wydajność jest w rzeczywistości nieosiągalna, gdyż odzyskanie całej energii kinetycznej
wody oznaczałoby jej zatrzymanie. Faktycznie dostępna moc wynika więc ze stopnia spowolnienia wody przez koło (różnicy
średniej prędkości v przepływu wody bezpośrednio przed i za kołem).
Koła wodne nasiębierne i śródsiębierne wykorzystują zarówno energię potencjalną i kinetyczną strumienia wody.
Elektryczność z pływów morza
•
Energię pływów morza (przypływ i odpływ) wykorzystywano od setek lat. W XVIII w. wybrzeże
Europy usiane było młynami pływowymi, w których wody przypływu wpuszczano przez otwarte
śluzy do zbiornika retencyjnego. W szczytowym momencie przypływu śluzy zamykano, podczas
odpływu woda mogła się więc przedostać tylko przez koło wodne. Dzięki temu napędzała je i
wprawiała w ruch obrotowy.
Tę samą zasadę zastosowano w latach 60. przy budowie elektrowni we Francji. W poprzek ujścia
rzeki Rance koło Saint-Malo w Bretanii wzniesiono tamę wyposażoną w 24 maszyny, które mogą
działać jako turbiny w obu kierunkach.
Wody przypływu spiętrzane są na zaporze do momentu, gdy różnica ich poziomu między dwiema
stronami tamy wynosi 1,5 m. Potem woda przepływa przez turbiny, wprawia je w ruch i wytwarza
energię elektryczną. Gdy następuje odpływ, łopatki turbiny odwraca się i woda znów wytwarza
energię.
Przy maksymalnym przypływie śluzy zamyka się i do ujścia rzeki pompuje dodatkowo wodę morską.
Poziom wody w rzece przekracza poziom przypływu, gdy zatem następuje odpływ, różnica
poziomów zwiększa się. Po spłynięciu wody do morza i wprawieniu turbin w ruch, z estuarium
wypompowuje się wodę, sztucznie obniżając poziom wody w rzece.
Oczywiście przy pompowaniu także zużywa się energię elektryczną, lecz zwiększenie spadku wody
pozwala wytworzyć energię w ilościach znacznie przewyższających jej zużycie przez pompy.
Elektrownia w La Rance wytwarza w szczycie 240 MW energii elektrycznej, co pokrywa potrzeby
średniej wielkości miasta, takiego jak Rennes lub Caen. Mimo to nie znalazła ona zbyt licznych
naśladowców.
Wysokie koszty budowy tam i trudności z wyszukaniem odpowiedniej lokalizacji zniechęciły prawie
wszystkich, oprócz Rosjan i Kanadyjczyków.
W zatoce Bay of Fundy w Nowej Szkocji występuje największa na świecie różnica poziomów wody
podczas przypływu i odpływu – 18 m.
W 1984 r. w Annapolis Royal otwarto pilotażową hydroelektrownię u wejścia do zatoki. Gdyby
udało się okiełznać siłę pływów na całej szerokości zatoki, ilość wytworzonej energii elektrycznej
przekroczyłaby dziesięciokrotnie lokalne zapotrzebowanie. Nadwyżki energii mogły by zostać
wykorzystane w Nowej Anglii i Nowym Jorku. Specjaliści uważają, że dalsze prace nad tym
projektem są tylko kwestią czasu.
Elektrownia wodna
•
•
•
•
•
•
•
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.
Zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na 13,7 TWh rocznie, z czego 45,3% przypada na
Wisłę, 43,6% na dorzecza Wisły i Odry, 9,8% na Odrę i 1,8% na rzeki Pomorza, przy czym same
elektrownie na rzekach pomorskich zapewniały przed II wojną światową energię elektryczną
portowi morskiemu w Gdyni, Kartuzom oraz Gdańskowi i jego okolicom, co daje wyobrażenie jak
duży potencjał mają elektrownie wodne. Obecnie Polska wykorzystuje swoje zasoby
hydroenergetyczne jedynie w 12%, co stanowi 7,3% mocy zainstalowanej w krajowym systemie
energetycznym (dla porównania Norwegowie, rekordziści w tej dziedzinie, uzyskują z energii
spadku wody 98% energii elektrycznej).
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.
Większe elektrownie wodne na świecie
Największą elektrownią wodną na świecie jest wybudowana w 1983 roku elektrownia na tamie
Itaipu na Paranie na granicy państw Brazylii i Paragwaju. Elektrownia ma maksymalną moc 12 600
MW a produkuje rocznie 93.4 TW*h energii. Nieco mniejsze są: Grand Coulee na rzece Kolumbia w
USA (10,080 MW) i Guri, Raul Leoni na rzece Coroni w Wenezueli (10,060 MW).
Największą budowaną tamą z hydroelektrownią jest budowana w Chinach Zapora Trzech
Przełomów. Budowę zapory ukończono 20 maja 2006 r., elektrownia już częściowo pracuje, trwa
napełnianie zbiornika i wyposażanie elektrowni, ukończenie jest planowane na rok 2009. Po
ukończeniu 26 generatorów o łącznej mocy 18,2 GW ma produkować rocznie około 84,7 TWh
(terawatogodzin) energii
Elektrownie i generatory
prądu w elektrowni
Powrót do poprzedniego
slajdu
Ciąg dalszy prezentacji
Koło wodne
•
Koło mające na obwodzie łopatki lub przegrody, poruszane siłą naporu wody, poprzednik
turbiny wodnej. Najczęściej wykorzystywane do napędu młynów wodnych i dawnych
zakładów przemysłowych: tartaków, kuźni.
•
Zależnie od sposobu zasilania dzielimy na :
•
•
•
•
•
nasiębierne (wykorzystuje głównie energię potencjalną wody) o największej wydajności,
śródsiębierne (wykorzystuje energię potencjalną i kinetyczną wody),
podsiębierne (wykorzystuje głównie energię kinetyczną wody)
Znane jest od I w. p.n.e.
W niektórych krajach Bliskiego Wschodu i Azji Południowo-Wschodniej koła wodne
używane są do podnoszenia wody. Jest to zapewne najstarsza maszyna poruszana siłą
wody. Składa się ona z dużego koła wodnego o średnicy do 20 m, do którego są
przymocowane drewniane lub gliniane czerpaki - wraz z obrotem koła, czerpaki podnoszą
wodę w górę. Koła takie do tej pory czerpią wodę na przykład z rzeki Asi w Syrii,
przelewając ją do akweduktów, którymi woda jest prowadzona na pola. Stosuje się je także
w innych krajach Bliskiego Wschodu, jeszcze używa się je w Hercegowinie, gdzie
wprowadzili je Turcy. W Wietnamie są stosowane koła o średnicy 10-15 m, zbudowane
całkowicie z bambusa.
Rodzaje kół wodnych
Powrót do poprzedniego
slajdu
Ciąg dalszy prezentacji
Turbina wodna
•
•
•
•
•
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. Skonstruował ją
B. Fourneyron w 1827
Turbina wodna
Powrót do poprzedniego
slajdu
Koniec prezentacji