Vízenergia hasznosítása
Vízről általában Földön 4 milliárd éve van jelen Föld-Nap távolság miatt (~150 millió km), a víz mindhárom fázisa (gőz, víz, jég) előfordul. (Ez a naprendszer sugarának mintegy 2%-át kitevő keskeny sávjában állhat elő.) A víz teljes tömegét 1,4 milliárd km 3 -re becsüljük és ennek 97,3 %-a az óceánokban található. A vizek nagy része körforgásban vesz részt ~9 napos időtartammal vízkörforgás nagy mértékben befolyásolja az időjárást A víz óriási építő és pusztító munkát is végez: tengerek hullámzása a szárazföldek partjait alakítja, a vízfolyások völgyeket vájnak a szállított hordalékkal: Colorado-folyó néhol 1000 m-es Grand-kanyont. a hordalékból máshol zátonyokat, szigeteket építenek: Missisipi deltája 25 ha-val, a Dunáé fél ha-val növekszik évente
Vízről általában Napból Földre jutó energiamennyiség ~ 23 %-a a víz körforgásának fenntartására fordítódik Ebből 99 %-a a párolgás-lecsapódás folyamatához kell (számunkra kihasználhatatlan. ) A maradék a földfelszínen mozgó víz helyzeti és mozgási energiája. állóvizek: helyzeti és nyomási energia áramló vizek: helyzeti, nyomási és mozgási (kinetikai) energia Vízenergián ezen energiák összességét értjük. A világon a hasznosítható vízenergia ~20.000 TWh körül lehet. Az egész világon termelt összes vízenergia ~2000 TWh. (Ez a műszakilag hasznosítható energia 10 %-át jelenti.)
Víz és hasznosításának kezdetei víz a legrégebbi erőforrás legrégebbi öntözőrendszerek kb. 5000 évesek vízikereket már az ókorban használtak: Egyiptomban, Kínában és Indiában vízikereket Görögországban és Rómában vízimalmok XI. század végén Angliában 5624, Franciaországban csak 1 megyében (Aube) 200 vízimalom működött, Magyarországon is a XI. századból ismert a vízimalmokra utaló legkorábbi adat. (gabonaőrlésre) Később bányák energiaellátására-körmöcbánya-vízkerekek működtették közlőművek beiktatásával a munkagépeket
Víz és hasznosításának kezdetei A XVIII. század végére három vízikeréktípus : alulcsapott : a lapátok belemerülnek az áramló folyóba, minden áramló vízben lehet használni. Hátránya: áradásban megváltozott vízfolyásirányban használhatatlan. felülcsapott : zárt lapátokra felülről érkezik a víz, a kerék masszívabb- el kell bírnia a víz súlyát. Az áradásban is működik: a víz egy csatornán keresztül érkezik a kerékre, amelyen egy zsilipkapuval szabályozható a víz mennyisége. A be- és kiáramló víz magasságkülönbségének legalább akkora, mint a kerék átmérője. középen csapott : a víz egy csatornán keresztül érkezik és kb. a keréktengelynél folyik a kerék lapátjaiba. Előnye, hogy nem szükséges olyan nagy esésmagasság, mint a felülcsapottnál.
Víz és hasznosításának kezdetei Vízturbina olyan erőgép, amely a folyadék munkavégző képességét járókerék forgatásával mechanikai munkává alakítja. Vízerőmű ált. kialakítása: A víz a felvízből egy nyomócsövön keresztül lép be a turbinába annak nyomócsonkján keresztül. A turbina járókerekén, energiáját átadva mechanikai energiát közöl a járókerékkel, majd a szívócsövön keresztül az alvízbe ömlik. Az első sikeres vízturbinát egy francia mérnök találta fel, a vízbe merülő turbina vezetőlapátokkal rendelkezett
Víz és hasznosításának kezdetei Turbina típusok eltérő esésmagassághoz és vízhozamhoz : átáramló folyadék iránya szerint: radiális, axiális, félaxiális átáramláskor a víz nyomása megváltozik, vagy sem : Akciós: (p-vált.) - Pelton- turbina és - Bánki-turbina Reakciós - Francis-turbina és - Kaplan-turbina
Pelton turbina 1880-ban Lester Pelton, Kalifornia nagyesésű, kis vízhozamú folyókra magasan fekvő víztárolóból nyomócsövön érkező víz a szabályozótűvel ellátott sugárcsőből nagynyomáson lép ki a járókerék kanalaiba. Fordulatszáma: 1 sugárcsővel 4-30 [1/min], több sugárcsővel 30-70 [1/min] Vízhozam-szabályozás szabályozótű előre-hátra mozgatásával ill. a sugárlevágóval
Bánki-turbina Bánki Donátról nevezték el 2x-es átömlésű szabadsugár turbina Dob alakú járókerekében két tárcsa közöttük köríves lapátok vannak. A vízsugár a szabályozó nyelvel ellátott vezetőcsatornából, vízszintesen, vagy függőlegesen lép be a járókerék külső palástján a lapátok közé a lapátokon túljutva belülről újból átömlik a lapátkoszorún. Törpe vízerőművekben alkalmazzák.
Kaplan-turbina Lassabb folyású folyókra, kis szintkülönbségre, nagy vízhozamra szárnylapátos vízturbina a nagy fordulatszám, axiális átömlés. A járókerék és a vezetőkeréklapátjai állíthatóak lapátozás állításával jó hatásfok érhető el A víz a beton csigaházon a támlapátokon és a vezetőkerék lapátjain keresztül - 90 -os iránytörés után tengelyirányban érkezik a járókerékre
Francis-turbina- 1849 Közepes esésű és közepes vízhozamú Nyomócsonkon belépő víz a támlapátokkal merevített csigaházban körbehalad a turbina kerületén. Állítható vezető-lapátkoszorún át áramlik az állítható járókerékre. A járókeréken radiális vízbelépés és axiális kilépés. Terhelésingadozásokat a lapátok állításával lehet követni. Járókerekek a fordulatszámtól függően: lassú járású-60 125, normál járású-125 225 gyors járású-225 450)
Vízerőmű létesítése Létesítés nagy esésmagasságok esetén célszerű. A jobb hatékonyság : megnöveljük a szintkülönbséget, egyenletes vízhozamot biztosítunk- például duzzasztással: völgyben, völgykatlanban, kanyonban völgyzárógátak Vízenergia nagysága függ a folyóvizek vízjárásától: Kétperiódusú esős övezet: Kongóé, az Amazonasnak-vízjárása rendkívül egyenletes. Egyperiódusú esőzónában és a trópusi monszun éghajlat hátrányos a Nílus, az Orinoco, a Gangesz Korszerű erőműveknél figyelembe kell venni az eljegesedést, a téli fagyást, a jégzajlást. Ekkor a folyók nem kapnak elegendő vizet Fontos megvizsgálni a környezet geológiai viszonyait
Vízerőmű létesítése A vízerőmű passzív részrendszere a duzzasztómű a vízerőmű aktív egysége a hidrogenerátor a vízturbina a víz mechanikai energiájának felhasználásával forgatja a tengelyére szerelt generátort => villamos áram A legújabb turbinák hatásfoka : 90-95% lapátozás számítógéppel tervezett => teljesen egyformák =>egyenletes terhelés és kopás
Duzzasztó mű vázlata
Tározós erőmű A villamos energia nagyipari méretekben nem tárolható. A csúcsterhelések időszakában előnyös a víztározós erőmű. turbógenerátorai két irányban működnek: Éjszaka munkagépként vizet szivattyúznak egy magaslati víztározóba. Nappal a csúcsterheléskor a tárolt vízzel hajtja meg a hidrogenerátort és termel áramot. Vízerőművek típusai: alacsony esésű erőműveket: beépítik a folyómederbe középesésű erőműveknél: a folyóvizet elzárják gáttal és a külön mederbe épített erőműhöz terelik. nagyesésű erőműveknél: a víz esését ált. duzzasztógátakkal növelik
Duzzasztós erőmű http://www.ibela.sulinet.hu/termtud/energia/vizenergia_elemei/kariba.jpe
Duzzasztós erőmű http://www.ibela.sulinet.hu/termtud/energia/vizenergia_elemei/bratsk.jpe
Hoover-gát
Hoover-gát: Colorado folyón http://www.nyf.hu/karok/ttfk/kornyezet/megujulo/vizenergia/hoover00.jpg
Szupernagy duzzasztóművek Harmadik világban gigantikus erőműveket létesítenek Villamos energián kívül mezőgazdasági jelentőség Pakisztán: Indus folyórendszere: Közép-Európa nagyságú terület Több duzzasztógát miatt a vízkészlet eloszlás megváltozik 8 db összesen 640 km hosszú csatorna 2 központi egység gátjának beépített térfogata 142 millió m3 Méretei a Kínai Nagyfallal vetekszik Dél-Afrika: Mozambik,-Zambézi folyó: 160 m magas betonfal => a folyóból 250 km hosszú TÓ keletkezik. Fél millió m3 betont használtak fel A világ legnagyobb épített ürege, mely a turbinacsarnok (18x nagyobb a Buckingham palotánál) Tervezett teljesítménye: 2 milliárd W
Szupernagy duzzasztóművek
Apály-erőművek Az ár-apály változását a Hold vonzása okozza a tengerszint periodikus ingadozását használják ki ezek az erőművek feltétele, hogy az ár-apály amplitúdója megfelelő legyen: 8-20m A 18.század: Európában malmok működtetése: A dagályhullámokat nyitott zsilipen át egy tározóba engedték Az árcsúcsponton a zsilipeket bezárták. Apálykor a víz csak a vízikeréken keresztül távozott, mozgásával forgási energiát létrehozva. turbináinak mindkét irányban kell működniük. A világon a skóciai Fundy-öbölben a legerősebb az árapálymozgás; a szintkülönbség néhol a 18 m-t is eléri. Franciaországban a Rance folyó torkolatánál 750 m-es gát és 2,4 GW teljesítmény
Ár-apály erőművek
Víz alatti turbina Wales-től délre megépítették a világ első víz alatti turbináját. A turbina a dagálykor 20-30 m-es mélységben dolgozik 2-3 m/s sebességet ér el => teljesítmény ~ v 3, így jelentős energiaforrás. Előnyös: a tenger áramlása folytonos. a víz sűrűbb a levegőnél, így egy azonos méretű rotor a tengerben sokkal több energiát állít elő, mint a levegőben A tengeri turbinatorony 50 m magas és 2,5 m. A 15 m mélyen a tengerfenékbe betonozott oszlop tengeráramlástól függően 5-10 m-re emelkedik ki a tengerből. A kétszárnyú rotor szárnyai 180 -ra vannak egymástól és fordulatszámuk 15 percenként.