Małe elektrownie wodne

Małe elektrownie wodne zamierzchłych czasów służyły człowiekowi przetwarzaniu energii wody. Jedną z najbardziej dostępnych i łatwych do wykorzystania była energia płynącej wody. Do jej wykorzystania budowano początkowo koła wodne [1]. Pierwsza wzmianka o kole pochodzi z 80 r. p.n.e. z Pontu Azji Mniejszej. Młyny wodne z kołem podsiębiernym rozpowszechniły się w imperium rzymskim. Wydajniejsze koło wodne nasiębierne pojawiło się dopiero w V wieku n.e. (...) Wynalezienie i zastosowanie maszyny parowej w XVIII wieku zmieniło kierunek i tempo rozwoju przemysłu. Maszyny te posiadały stosunkowo dużą moc i mogły być instalowane w dowolnym miejscu. W krótkim czasie zdominowały one przemysł i przyczyniły się do wzrostu wydobycia węgla. Spalanie węgla w tym czasie nie stanowiło nadmiernego zagrożenia dla środowiska naturalnego. Równocześnie spadło zainteresowanie energią płynących rzek. Odkrycie zjawiska przepływu prądu elektrycznego i wynalezienie maszyn elektrycznych w XIX wieku miało decydujące znaczenie dla rozwoju techniki. Zaistniała możliwość przesyłu energii na duże odległości, do czego szczególnie przyczyniło się zastosowanie trójfazowego prądu zmiennego. W tym momencie wzrosło ponownie zainteresowanie niewyczerpalną energią rzek. Powstały pierwsze elektrownie wodne. W budowę dużych elektrowni wodnych znaczny wkład wniósł inżynier Gabriel Narutowicz, późniejszy Prezydent Polski. W latach 1898 – 1900 w miejscowości Kubel pod St.Gallen w Szwajcarii, powstała elektrownia wodna zaprojektowana i wybudowana przez niego. Elektrownia ta przez długie lata była wzorem do naśladowania w całym świecie.

MEW Straszyn na rzece Raduni – na pierwszym planie prądnica synchroniczna z jawnymi biegunami (wielobiegunowa). 

Współczesna energetyka wodna

W wielu krajach potencjał użytkowy wód nadających się do celów energetycznych został wykorzystany dla wielkiej i średniej energetyki wodnej; pozostało jedynie wykorzystanie w niektórych krajach potencjału małych cieków wodnych i wód morskich do instalowania małych elektrowni wodnych - MEW. Możemy je zaliczyć do rozproszonych źródeł energii, gdyż stanowią jednostki małej mocy (max 15 MW) i nie podlegają programowaniu rozwoju oraz dyspozycji na poziomie systemu elektroenergetycznego. Ich rozwój w większości krajów Europy i poza jej granicami datuje się od kryzysu naftowego lat 70 – tych. W szeregu państw Europy Zachodniej opracowano plany rozwoju dla wykorzystania odnawialnych źródeł energii – OZE. W odniesieniu do MEW pierwszy plan rozwoju opracowano w Szwecji już 1979r. W Niemczech Zachodnich w latach 80 – tych realizowano program Prąd Młynarski, którego celem było przekształcanie upadających ekonomicznie młynów wodnych na małe elektrownie wodne. Akcja Prąd Młynarski realizowała nie tylko przekształcanie ale i przywracanie upadłych młynów do roli MEW. W efekcie w 1990 roku było już ok. 4400 pracujących małych elektrowni wodnych.

Mała energetyka w Polsce

Rozwój małej energetyki wodnej [3,4] w Polsce kształtował się inaczej niż w Europie Zachodniej :

 - po pierwsze, wynikało to z dominacji energetyki cieplnej opartej na węglu; stąd kryzys energetyczny z 1973 r. nie miał znaczącego wpływu na naszą energetykę,

- po drugie, rozwój ciężkiego przemysłu wymuszał powstawanie elektrowni o dużych mocach zainstalowanych.

Małe zakłady energetyki wodnej w ilości ponad 6500 pracowały już w okresie 20 – lecia międzywojennego i z powodzeniem do lat 50 – tych. Powrót do MEW zapoczątkowała uchwała Rady Ministrów nr 192 z 1981 r. w sprawie rozwoju małej energetyki wodnej, dopuszczająca do realizacji i użytkowania zakładów wodno-energetycznych o mocy do 5000 kW przez podmioty gospodarcze (w tym osoby fizyczne) spoza energetyki zawodowej.(...) Wodne zasoby energetyczne dla MEW, możliwe technicznie do wykorzystania, zostały oszacowane na 1,6 TWh/a i stanowią 11,6% całkowitych zasobów energetycznych wód Polskich.


Ilość pracujących MEW oraz ich moce zainstalowane na stan 2000 r. według danych z różnych źródeł wynosiły:

- Elektrowni prywatnych - 335 MEW o średniej mocy 90 kW , co stanowi w sumie 30 MW.

- Elektrowni Zakładów Energetyki - 104 MEW o średniej mocy 760 kW dających w sumie 80 MW.

- Elektrownie zakładów spoza energetyki dostarczających 50 MW.

W sumie dostarczają one 160 MW, co stanowi 0,5% mocy zainstalowanej wszystkich elektrowni (cieplnych i wodnych) w kraju. Rozpiętość mocy MEW jest duża i ich układy znacznie się różnią od średnich i wielkich elektrowni wodnych pod względem technicznym i ekonomicznym.


MEW jako obiekt

Podstawowymi zespołami elektrowni wodnych są budowla wodna oraz blok elektrowni, składający się z urządzeń mechanicznych, instalacji elektrycznej i obudowy (budynku).


W skład budowli wodnej wchodzą:

- budowla piętrząca wodę – ziemna lub betonowa. Stosowane są jazy (stałe i ruchome) do wysokości spiętrzenia nie przekraczającego 15 m, a dla wyższych spadów zapory,

- kanały, rurociągi do- i od-prowadzające wodę, sztolnie i komory wyrównawcze, przelewy stałe i regulowane, spusty denne, upusty płuczące,

- urządzenia kontrolno-pomiarowe budowli wodnej.

Ze względu na rozwiązania hydrotechniczne MEW mogą występować jako:

- elektrownie przyjazowe lub przyzaporowe,

- elektrownie z derywacją kanałową, rurociągową lub mieszaną, kanałowo – rurociągową.

Podział MEW ze względu na usytuowanie budowli wodnej i sposobu uzyskiwania różnicy poziomów wody pokazano na Rys.1.

Rys. 1. Rodzaje elektrowni ze względu na rozwiązanie budowli wodnej, [2]:
a) elektrownia przyzaporowa
b) elektrownia z derywacją kanałową
c) elektrownia z derywacją rurociągową
d) elektrownia z derywacją mieszaną


Blok elektrowni stanowi zespół maszyn i urządzeń do przemian energii spiętrzonej wody na energię elektryczną. Elementy małej elektrowni wodnej tradycyjnej konstrukcji pokazano na Rys. 2. Podstawowe wyposażenia każdego bloku elektrowni wodnych stanowi zespół turbiny wodnej (6) umieszczonej w komorze (2), sprzęgnięty z prądnicą elektryczną (8).

Podstawowe urządzenia bloku elektrowni mogą posiadać: urządzenie regulacji turbiny (9) o napędzie hydraulicznym, ręcznym lub elektrycznym, przekładnię mechaniczną (7), zębatą lub pasową i urządzenia mechaniczne pomocnicze.

Rys. 2. Schemat rozwiązań małych elektrowni niskiego spadu, wyposażonych w turbiny Francisa o pionowej osi (a) oraz osi poziomej (b), [5]

Urządzeniami pomocniczymi są: zamknięcie na wlocie (1) w postaci zasuwy i kraty wlotowej, spustu wody odpływowej z turbiny, najczęściej z rurą ssącą (5) odprowadzającą wodę do komory odpływowej (3) i zakończonej wnęką zamknięcia remontowego (4), oraz hala maszyn (10) z urządzeniem dźwigowym. Elektrownia posiada również wyposażenie elektryczne w postaci aparatury kontrolno – pomiarowej i łączeniowej, instalacji zasilającej i wyprowadzenia mocy.


Turbiny wodne w małych elektrowniach wodnych

Turbina wodna jest maszyną wirnikową hydrauliczną, przetwarzającą energię płynącej wody na energię kinetyczną wirujących mas, przykazywaną przez wał maszyny. Podstawowe elementy turbin to: wirnik z wałem turbiny, aparat kierowniczy, łożyska nośne i prowadzące, korpus turbiny i rura ssąca (nie zawsze występuje).


Turbina Francisa Rys. 3. wyposażona jest w wirnik ze stałymi łopatkami, z doprowadzeniem wody spiralą poprzez ruchome łopatki kierownicze i odprowadzeniem wody rurą ssącą. Regulację mocy turbiny dokonuje się przez zmianę przepływu poprzez zmianę położenia łopatek kierownicy. W MEW turbiny pracują w dużym zakresie spadów od 5 ÷ 100 m i więcej, uzyskując wysoką sprawność t ~ 90 %. Turbina ze spiralą wodną może pracować również w układzie z usytuowanym poziomo wałem, Rys.4. W starszych rozwiązaniach MEW, szczególnie o niskim spadzie, stosowano turbiny Francisa w układzie pionowym jak i poziomym w otwartej prostokątnej komorze turbinowej, Rys.2.

Rys. 3. Turbina wodna Francisa z wałem pionowym: a) wirnik, b) spirala doprowadzająca wodę z łopatkami kierowniczymi, c) przekrój usytuowania turbiny, [6]

Turbina Kaplana posiada pionowy wał (może być poziomy) z wirnikiem wyposażonym w 2 do 8 łopatek w postaci śmigła. Łopatki osadzone w piaście wirnika są nastawialne podobnie jak łopatki kierownicy. Doprowadzenie i ujście wody realizowane jest podobnie jak w turbinie Francisa. Regulacja mocy turbiny może się odbywać dwustopniowo przez zmianę ustawienia kątów łopatek kierownicy i kąta ustawienia łopatek wirnika. Turbiny Kaplana pracują w zakresie spadów od 1÷50(70) m i uzyskują najwyższe sprawności spośród innych typów turbin, w znacznym zakresie zmian obciążenia od 40 do 100%. Uzyskiwane sprawności są rzędu t~90 %, a maksymalna sprawność t = 93 %. Wirniki 4 i 8 łopatowe oraz przykład usytuowania turbiny Kaplana pokazano na Rys.5. Turbiny Kaplana i Francisa mogą być wolno- średnio- szybko-bieżne, dobór ich zależy od zakresu wysokości spadu wody.

Rys. 5. Turbina wodna Kaplana z wałem pionowym: a) wirniki b) przekrój usytuowania turbiny [6]

Znana jest odmiana turbiny Kaplana - turbina rurowa o osi poziomej lub skośnej. Wyposażona jest ona w wirnik typu Kaplana, który jest umieszczony centrycznie w obudowie rurowej i sprzęgnięty bezpośrednio lub przez przekładnie z generatorem elektrycznym. Zakres zastosowań turbin rurowych pokrywa się z zakresem stosowania szybkobieżnych turbin Kaplana [7].

Szczególnym rozwiązaniem MEW z zastosowaniem turbiny typu Kaplana są kompletne bloki zatapialnych hydrozespołów firmy Flugt. Hydrozespół składa się z osiowej turbiny z wirnikiem 4-łopatkowym, przekładni planetarnej i asynchronicznego generatora. Zespoły nie wymagają lokalizacji w budynku i mogą być instalowane bezpośrednio w rurociągu lub komorach przepływowych, Rys. 6. Zatapialne turbozespoły Flugt’a zostały zainstalowane w elektrowni Bukówka w zespole Elektrowni Wodnych Dychów (2 zespoły po 420 kW) oraz na dolnej wodzie elektrowni Czorsztyn – w elektrowni Sromowce Wyżne (4 zespoły po 520 kW).

Rys. 6. Hydrozespół zatapialny Flugt’a – przekrój bloku oraz schemat lokalizacji zespołu w rurociągu przepływowym, [folder firmy Flugt]

Turbina Peltona składa się z tarczy kołowej wyposażonej na obwodzie w podwójne czarki (Rys. 7), które spełniają rolę łopatek. Woda doprowadzana jest rurociągiem ciśnieniowym do dyszy turbiny. Płynną regulację mocy dokonuje się przez zmianę położenia iglicy w dyszy. Turbiny Peltona stosuje się do najwyższych spadów od 50÷500 m. Wysokie sprawności rzędu 90% uzyskują turbiny w szerokim zakresie zmian obciążenia. Turbina Peltona zainstalowana jest na Polanie Chochołowskiej w MEW o mocy 50 kW, z derywacją rurociągową o spadzie 60 m.

Rys. 7. Wirnik turbiny Peltona (http://www.vatech-hydro.at/)

Turbina Banki-Michella (Rys. 8) jest turbiną przepływową z szerokim strumieniem wody o przekroju prostokątnym, przepływającym dwukrotnie przez palisadę łopatkową. Zasilanie wirnika odbywa się przez 1-łopatkową kierownicę, elastyczność ruchową uzyskano przez podział wirnika i kierownicy na dwie części w proporcji 1/3 i 2/3 długości. Turbinę tą stosuje się do spadów 2÷50 m, przy małych przepływach wody.

Rys. 8. Zasada działania turbiny Banki-Michella (http://www.energoclub.it/)

Generatory elektryczne stosowane w małych elektrowniach wodnych.

W MEW mogą być stosowane jako generatory elektryczne – prądnice trójfazowe prądu przemiennego synchroniczne i asynchroniczne o napięciach 0,4 do 6,3 kV. Prądnice synchroniczne to maszyny wolnoobrotowe z jawnymi biegunami o zakresie prędkości obrotowej 50÷600 obr/min (120÷10 par biegunów) i mocy od kilkudziesięciu kW do 5000 kW. Charakteryzują się dużą elastycznością pracy, nadają się do pracy przy zmiennych wielkościach przepływu i znacznych wahaniach poziomu wody. Przy zastosowaniu w układzie wzbudzenia prądnicy samowzbudnej, generator w przypadku zakłóceń w sieci może spełniać funkcję rezerwowego lokalnego źródła zasilania. Przykład zainstalowania w MEW prądnicy synchronicznej pokazano na Rys.9.


Różniące się w zastosowaniach MEW generatory asynchroniczne, są zwykle typowymi silnikami indukcyjnymi pracującymi prądnicowo. Rozróżnia się, ze względu na sposób wykonania wirnika, dwa typy silników: pierścieniowy i klatkowy.

Generatory asynchroniczne stosowane są w zakresie mocy od kilku kW do 1000 kW, a nawet do 2000 kW. Praktycznie stosowane silniki w rozwiązaniach krajowych ogranicza się do jednostek mniejszej mocy, rzędu 250 kW i prędkości obrotowej w granicach 500 do 1000 (1500) obr/min.

W małych elektrowniach wodnych możemy wyróżnić następujące układy elektryczne:

- Układ z generatorem synchronicznym pracującym na sieć.

- Układ z generatorem synchronicznym pracującym samodzielnie (niespotykany u nas)

- Układ z generatorem asynchronicznym pracującym na sieć.

- Układ z generatorem asynchronicznym pracującym autonomicznie.

- Układ wyposażony jest w silnik indukcyjny klatkowy, współpracujący z sekcjami baterii kondensatorów [8]

Uwagi końcowe

Małe elektrownie wodne przynoszą niewątpliwe korzyści do których możemy zaliczyć:

1- Oszczędność paliw takich jak węgiel i ropa naftowa.

2- Zmniejszenie emisji szkodliwych substancji. Każda wyprodukowana przez elektrownię wodną kilowatogodzina powoduje, że do otoczenia nie trafia 5-8 g SO₂, 3-6 g tlenków azotu, 750-1250 g CO₂, oraz 40-70 g pyłu, popiołu i żużla.

3- Poprawę stabilności napięcia w sieciach rozdzielczych i zmniejszenie strat przesyłowych.

4- Poprawę pewności zasilania w energię elektryczną odbiorców oddalonych od źródeł zasilania, w szczególności na końcach linii.

5- Zwiększoną retencję.

6- Poprawę w zaopatrzeniu w wodę rolnictwa.

Dodatkowo należy podkreślić prostotę techniczną i wysoką niezawodność tych urządzeń przy długim okresie eksploatacji. Wyposażenie do MEW jest dostępne, a całe obiekty mogą być wybudowane w krótkim czasie.

dr inż. Andrzej Siwek - Katedra Elektroenergetyki AGH
dr inż. Wacław Orlewski - Katedra Maszyn Elektrycznych AGH

Literatura

1. Siwek A. J.: Odnawialne źródła energii wczoraj i dziś - referat na Małopolskim Sympozjum z okazji 100-lecia energetyki w Krakowie Klasyczne i Alternatywne Źródła Energii w Aspekcie Historycznym, Kraków, 13.10.2004.
2. Siwek A J.: Charakterystyka małych elektrowni wodnych istniejących w terenach górzystych. V Konf. N-T, Ogólnopolskie Forum Odnawialnych Źródeł Energii’98 Gdańsk 1998.
3. Wilski T.: Charakterystyka rozwoju MEW w Polsce po 1981 r. Małe Elektrownie Wodne nr 1, 1996.
4. Hoffmann M.: Prognozy rozwoju energetyki wodnej w Europie i w Polsce. IV Konf. N-T Mała Energetyka – 97 Zakopane 1997.
5. Hoffmann M.: Małe elektrownie wodne – poradnik. Nabba, sp.zo.o W-wa 1991.
6. Staniszewski A.: Zarys elektrowni. Wyd. Politechnika Warszawska, 1979.
7. Jackowski K.: Elektrownie wodne. Turbozespoły i wyposażenie. WNT W-wa 1971.
8. Orlewski W.: Stabilizacja napięcia i częstotliwości w generatorze asynchronicznym pracującym na wydzieloną sieć. Ogólnopolskie Forum Odnawialnych Źródeł Energii-2000 Łódź 2000.

Cały artykuł - GLOBEnergia 4/2006

Tagi: