Megújuló energiaforrások Vízerő hasznosítás

Megújuló energiaforrások Vízerő hasznosítás Tematikát kidolgozta: Dr. Kullmann László

Előadó: Csizmadia Péter - [email protected] 1111, Budapest, Műegyetem rkp. 3. D ép. 3. em

Tel: 463 16 80 Fax: 463 30 91 www.hds.bme.hu

Áttekintés • Bevezetés • Nyílt felszínű áramlás, energiaviszonyok • Vízerőművek (példák) • Turbina típusok • Gyakorlati problémák • Törpe vízerőművek, PAT Vízerő hasznosítás

1. Előadás Vízerő hasznosítás

Bevezetés Vízerő hasznosítás • A vízben rejlő potenciális (helyzeti) energia hasznosítása • A víz potenciális energiáját a nap adja • A vizet felhasználja, de nem használja el, illetve a minőségét nem rontja • Vízerőművek: a víz potenciális energiáját villamos energiává alakítják át

Vízerő hasznosítás

Bevezetés


Bevezetés Vízerőművek által termelt villamos teljesítmény (2010)

Forrás: hydropower.org


Bevezetés A legtöbb vízenergiát hasznosító országok

Forrás: WVIC


Bevezetés Energiaátalakítási költségek

Forrás: WVIC


Bevezetés Éves kapacitásbővítés világszerte


Nyíltfelszínű csatorna y(x): vízmélység z(x): folyómeder geodetikus magassága

Folyómeder esése:

i=− y(x), a vízfelszín egyenlete

dz dz = dx dx Fontos: a vízfelszín nem feltétlenül párhuzamos a mederrel! Vízerő hasznosítás

Leíró egyenletek Bernoulli egyenlet:

Egyszerűsítések:

v2 y+z+ + h′ = const. 2g  d  v2  y + z + + h′  = 0 dx  2g 

dz = −i dx

ahol:

dh′ v2 Q2 = 2 = 2 2 dx C Rh A C Rh

d  v2  Q 2 B dy   = − dx  2 g  g ⋅ A3 dx

Rh1/ 6 C= n

Rh =

Q: A: B: K: n:

A K

Chézy képlet Hidraulikai sugár

vízhozam (azaz térfogatáram) keresztmetszet csatorna szélessége nedvesített kerület Manning állandó Vízerő hasznosítás

Leíró egyenletek Rh =

A

(jegesedés problémája!)

K

Kapott egyenlet:

A K

dy Q 2 B dy Q2 −i− + =0 dx g ⋅ A 3 dx A 2 C 2 Rh Q2 i− 2 2 A C Rh i − J (Q, y, n ) dy = = 2 dx Q B 1 − Fr 2 1− g ⋅ A3

J: mederellenállás Fr: Froude szám Folyók esetén Fr < 1

Vízmélység állandó, ha:

dy = 0 <==> i = J dx

Normál vízmélység


Vízfelszín profilok y z

duzzasztás ynormal lehajlás

x

Vízerő szempontjából hasznos:

dy > 0 <==> i > J dx Ebben az esetben nőni fog a magasságkülönbség (az esés) a turbinákon


Az esés növelése A cél tehát a mederellenállás (J) csökkentése Üzemvízcsatorna

Duzzasztás

üzemvízcsatorna

felvíz alvíz

erőmű folyó

duzzasztógát

duzzasztógát

Példa: Bős-Gabčíkovoi erőmű • A meder minőségének javításával csökkentjük az ellenállástényezőt

Példa: Tiszalöki erőmű • A nagyobb mélység kisebb sebességet eredményez, így kisebb az ellenállás


Vízenergia potenciál Csapadék potenciál: • Amikor a víz eléri a felszínt

ahol:

ECs ,i = ρ ⋅ g ⋅ Ai ⋅ Csi ⋅ zi [MJ/év]

Ai: felület Csi: éves csapadékmennyiség zi: geodetikus magasság

Lefolyási potenciál: • A párolgás miatt kisebb az előzőnél

EQ ,i = α ⋅ ECs ,i

ahol:

α:

lefolyási tényező

Hasznosítható teljesítmény:

Pbe ,h = ρ ⋅ Q ⋅ g ⋅ H = 9,81 ⋅ Q ⋅ H

[kW]

Megtermelhető teljesítmény: • Turbina, generátor hatásfoka

Phasznos ,vill ≅ 8 ⋅ Q ⋅ H

ahol:

Q: vízhozam H: esés Vízerő hasznosítás

Vízhozamok, esések LNV LKV LKE

duzzasztógát

LNE

LNE: LKE:

legnagyobb esés legkisebb esés

LNV: LKV:

legnagyobb vízhozam legkisebb vízhozam

• A legkisebb vízhozam (LKV) esetén kapjuk a legnagyobb esést (LNE) • A legnagyobb vízhozamhoz (LNV) adódik a legkisebb esés (LKE)


Vízhozam tartóssági görbe LNV = Qmax

Ezt átengedik a zsilipeken kiépítési vízhozam

Qki

LKV = Qmin 0%

50%

100% 365 nap/év

• Megadja, hogy az év hány százalékban áll rendelkezésre az adott vízhozam (mennyire tartós az adott vízhozam)


Eséstartóssági görbe LNE

Hterv

LKE Redukált esés-görbe

0%

50%

100% 365 nap/év

• A kiépítési vízhozamhoz (Qki) tartozik a tervezési esés (Hterv) • A tervezési esés alatt a turbinák nem dolgoznak optimális üzemállapotban redukált esés-görbe:

Ht = 1,5 H – 0,5 Hterv Vízerő hasznosítás

Teljesítménytartóssági görbe Pvill

0%

50%

100% 365 nap/év

• A vízhozam- és az eséstartóssági görbék szorzata • Integrálja a teljes évre megtermelhető villamos energiát adja • Függ a duzzasztási szinttől és a kiépítési vízhozamtól (optimum keresés)


Vízerőművek főbb típusai turbinák

a)

b)

duzzasztómű

c)

d)

a) b) c) d)

öblözetbe épített szigetszerű megosztott pillérbe épített


Turbinák csoportosítása Reakciós turbinák • Nyomásesés a turbinalapátokon • A járókerék teljes egészében vízbe merül • Kaplan, Francis turbinák

Akciós turbinák • A belépő vízsugár impulzusát használják fel, megváltozik az áramlási irány • Nincs nyomásesés a járókeréken • Pelton turbina Vízerő hasznosítás

Turbina típusok Francis turbina Pelton turbina

Kaplan turbina


Turbina típusok

Bánki turbina


Történelem

Római kori függőleges tengelyű vízkerék (Kr. u. 114)


Bánki turbina


Bánki turbina


Kaplan turbina • Reakciós turbina, max. teljesítmény: ~150 MW • Fordulatszám: n = 80 – 430 1/min • Függőleges beépítésnél nagy helyigény, 90°-os iránytörés • Vízszintes beépítés: csőturbina (jobb hatásfok, de nehezebb szerelhetőség) • Állítható járókerék- és vezetőlapátok • •

Propeller turbina: csak a vezetőlapátok állíthatók Thomann turbina: csak a járókerék lapátok állíthatók Vízerő hasznosítás

Kaplan turbina Működési elv

Forrás: Wikipedia


Kaplan turbina (függőleges)


Kaplan turbina (csőturbina)


Kaplan turbina


Kaplan turbina


Francis turbina • Reakciós turbina, teljesítmény: 50-750 MW • Fordulatszám: n = 60 – 450 1/min • Lassú járású:

60 – 125 1/min

• Normál járású: 125 – 225 1/min • Gyors járású:

225 – 450 1/min

• Általában vezetőlapátokat alkalmaznak • Közepes esés, közepes vízhozam


Francis turbina

Forrás: Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003


Francis turbina


Francis turbina


Francis turbina


Francis turbina

Maximális térfogatáram (Qmax)

Minimális térfogatáram (Qmin)


Francis turbina


Pelton turbina • Akciós turbina, max. teljesítmény: ~200 MW • Egy vagy több sugárcsővel rendelkezik • Nagy vízsugár sebességek (akár 500 km/h) • Kis jellemző fordulatszám • Nagy esés (15 – 1800 m), kis vízhozam (20 – 8000 liter/sec) • Hatásfok 85 – 90% körül


Pelton turbina

Pelton eredeti szabadalma (1880)


Pelton turbina Működési elv



Pelton turbina


Pelton turbina


Pelton turbina


Pelton turbina


Fenékküszöb

Kőrösnagyhartyáni fenékküszöb Vízerő hasznosítás

Fenékküszöb


Fenékküszöb


Gereb – szűrőrács


Csőturbinás erőmű


Példa: Oului erőmű • 1939-ben tervezték • 1959-ben épült • 39 MW üzemi teljesítmény (14%-a a 200 ezres lakosú városnak) • 11 méteres esés • 3 Kaplan turbina • Lazaclépcső • Árvíz esetén a fölösleg átengedhető (mint minden más erőmű esetén is)


Oului erőmű, gát


Oului erőmű, zsilipek


Oului erőmű, zsilipek


Oului erőmű, árvíz


Oului erőmű


Oului erőmű, elektromos bekötés


Oului erőmű, lazaclépcső


Oului erőmű, lazaclépcső


Oului erőmű, Kaplan turbina


Oului erőmű, Kaplan turbina Merikoske-i erőmű turbinakereke. Ez a turbinakerék és az általa meghajtott generátor az erőmű első gépeit képezték, melyek felhasználásával az energiatermelés 1948. 5. 24-én kezdődött. A turbinakerék folyamatos használatban volt 2007 nyaráig, amikor le lett cserélve egy újra. Az 59 éves működése alatt a turbina mintegy 3,7 milliárd kWh energiát termelt. A turbina termelése évente 35 000 háztartás villamosenergiaellátására elegendő. A turbina változtatható szárnyú (lapátszögű) Kaplan-típusú vízturbina, amit a tamperei vászon és vasipari üzem gépműhelyében építettek, Tamperében, 1947-48-ban. Vízerő hasznosítás


Magyarország vízerőkészlete • Az ország területének ~2/3-a 150 méter alatt, ~1/3 rész 150-400 méter között, csupán 3% hegyvidék • Vízhozamok: • Duna: • Tisza:

600 - 10000 m3/s 90 - 4500 m3/s

• Átlagos esések: • Duna: • Tisza:

10 cm/km 3-4 cm/km

• Vízkészlet: • meghatározás egyik módja: m3 befolyó víz adott idő alatt (~118 km3 vízkészlet – évi érték) • meghatározás másik módja: m3/s-ban adott készlet, ez a pillanatnyi igények kielégíthetőségét határozza meg.


Magyarország vízerőkészlete Hazai folyók elméleti vízerőkészlete

(forrás: Lakatos-Ötvös-Kullmann: A hazai vízenergia potenciál elméleti és reális értékeinek közelítő meghatározása, Energiagazdálkodás, 45(6), 2004)


Magyarország vízerőkészlete


Magyarország vízerőkészlete • Kiépült 37 erőmű, ebből 24 Nyugat-Magyarországon • Az erőművek tervezési összteljesítménye ~50 MW (egy paksi reaktor ~500 MW) • Éves szinten 210 GWh energia (elméleti készlet: 7446 GWh, ez ennek a 2,8%-a) • Magyarország villamos energiafogyasztása (2000): ~36000 GWh Ennek 0,6%-át adják a vízerőművek


Bős-Gabčíkovoi erőmű


Bős-Gabčíkovoi erőmű Adatok • Vízhozam:

~4000 m3/s

• Esés:

12 – 24 m

• Nyolc függőleges Kaplan turbina, egyenként 90 MW • Összes teljesítmény: 720 MW • Évente 2600 GWh energia • Szlovákia villamos energiafogyasztásának 8%-a


Bős-Gabčíkovoi erőmű Történet • 1963-ban megállapodás Magyarország és Csehszlovákia között: • Bős-Nagymarosi vízlépcső rendszer kidolgozása • Dunakilitinél gát és tározó épül (Duna vízének 98%-a üzemvízcsatornába) • Bősnél csúcserőmű telepítése (napi 2-szeri működéssel) • Nagymarosnál duzzasztás, második erőmű kis teljesítménnyel (4-5 méteres árhullám csillapítása) • A két ország energiaigényének 2-3%-át fedezi • 1977-ben a felek aláírták a szerződést • Az eredeti üzembe helyezés ideje (1986 és 1990 között) gazdasági nehézségek miatt folyamatosan csúszott • A magyar fél részéről 1983-tól aggályok merültek fel (környezeti hatások) • 1988-89-ben sorozatos tüntetések a vízlépcső megépítése ellen • 1989 május: az építkezés felfüggesztése magyar oldalról, hosszas viták Csehszlovákiával Vízerő hasznosítás

Bős-Gabčíkovoi erőmű • 1991: A csehszlovák kormány úgy dönt, megépíti a „C” változatot (egyoldali üzembe helyezés) • 1992 június: a magyar fél felbontja az államközi szerződést. • 1992 október 25: a csehszlovák fél önkényesen elterelte a Dunát a szlovák oldalra. Magyarország a hágai Nemzetközi Bírósághoz fordul. • 1995: megállapodás a vízmegosztásról Szlovákiával (!), akik 400 m3/s vízhozamot biztosítanak a közös mederszakaszba. Magyar fél Dunakilitinél fenékküszöböt létesít. • 1997 szeptember 25: a Nemzetközi Bíróság elítélte mindkét felet különböző jogsértésekért. Részletes iránymutatás a továbbiakról. • 1997-től napjainkig: folyamatos egyeztetések a továbbiakról, nincs végleges megoldás






Tiszalöki erőmű (Tisza I.) Adatok • Vízhozam:

~300 m3/s

• Esés:

~5 m

• Három függőleges Kaplan turbina (fordulatszám: 75 1/min) • Beépített teljesítmény:

12,9 MW

• Három duzzasztó zsilip, egy hajózsilip


Tiszalöki erőmű (Tisza I.)








Kiskörei erőmű (Tisza II.) Adatok • Vízhozam:

~560 m3/s

• Esés:

~6,27 m

• Négy csőturbina (fordulatszám: 107 1/min), egyenként 7 MW • Beépített teljesítmény:

28 MW

• Öt duzzasztó zsilip, egy hajózsilip • Halzsilip • Tisza-tó („Alföld öntözése”, mezőgazdaság, üdülés, sport,…, párolgás)


Kiskörei erőmű (Tisza II.)


Kiskörei erőmű (Tisza II.)


Kesznyéteni erőmű Adatok • Hernád-Sajó üzemvízcsatorna • Vízhozam:

~40 m3/s

• Esés:

~13,5 m

• Két függőleges Kaplan turbina • Beépített teljesítmény:

4,4 MW

• Évente 23,5 GWh energia


Kesznyéteni erőmű


Kesznyéteni erőmű


Ikervári erőmű Adatok • Magyarország első vízerőműve, 1895-96-ban épült a Rába folyón • Vízhozam:

~28 m3/s

• Esés:

~8,4 m

• 1995 óta négy Kaplan turbina • Beépített teljesítmény:

2,3 MW

• Évente 14,5 GWh energia


Ikervári erőmű


Ikervári erőmű


Ikervári erőmű


Three Gorges vízerőmű (Kína)


Three Gorges vízerőmű (Kína) Adatok • A világ legnagyobb vízerőműve, kilenc év alatt épült fel teljesen • Vízhozam:

~116000 m3/s

• Esés:

~80,6 m

• 32+2 db Francis turbina (32 db 700 MW; 2 db 50 MW (saját ellátásra)) • Beépített teljesítmény:

22,5 GW

• Évente 98,1 TWh villamos energia (Magyarország szükséglete ~36 TWh) • 2335 m hosszú, 181 m magas gát Vízerő hasznosítás







Zsiguli vízerőmű (Oroszország) Adatok • 1950-57-ig épült, részben munkaszolgálatban • Vízhozam:

~40000 m3/s

• Esés:

~80,6 m

• 20 db Kaplan turbina (16 db 115 MW; 4 db 120 MW) • Beépített teljesítmény: 2,32 GW • Évente 10,9 TWh energia • 2800 m széles gát Vízerő hasznosítás

Zsiguli vízerőmű (Oroszország)


Zsiguli vízerőmű (Oroszország)


Jellemző fordulatszám 1

nq =

n ⋅ Qopt2

60 ⋅ ω tudjuk: Q = ; n= 8⋅ H 2π Ph ,villamos

3

H opt4 Átírhatjuk:

60 ⋅ ω nq = 2π

Ph ,villamos 15ω Ph ,villamos 8H = 3 5/ 4 4 2 ⋅ π ⋅ H opt H opt

Innen kapjuk az alábbi alakokat:

nω =

ω Ph ,villamos H

5/ 4 opt

; ns =

n Pbev ,opt 5/ 4 H opt Vízerő hasznosítás

Jellemző fordulatszám ηopt (%) 100

Pelton

Francis

Kaplan

90 80 0,1

1

10

nω

nq nő → Pelton → Bánki → Francis → Kaplan Vízerő hasznosítás

Turbina típusok


Turbina típusok


Euler-féle turbinaegyenlet Turbina: • örvényelven működő áramlástechnikai gép • Euler-féle turbinaegyenlet alkalmazása:

c1u u1 − c 2u u 2 He = >0 g ahol He az elméleti fajlagos munka (súlyegységre vonatkoztatva) • kilépő perdület (c2u) legyen zérus • energiatermeléshez c1u > 0 szükséges o

ezt a perdületet vezetőkerekekkel hozzák létre (Kaplan és Francis turbinák) Vízerő hasznosítás

Sebességi háromszögek (Francis turbina)

Belépés c1 w1 u1

Kilépés c2

w2 u2

Vezetőlapátok

Járókerék


Sebességi háromszögek (Kaplan turbina)

Belépés

Kilépés w1

c1 u1

c2

w2 u2


Sebességi háromszögek (Bánki turbina)


Sebességi háromszögek (Pelton turbina)


Sebességi háromszögek - mind

• • • •

Bánki Pelton Francis Kaplan Vízerő hasznosítás


Üzemi jelleggörbék Turbina üzemi jelleggörbéi: • Víznyelés-fordulatszám; Q(n) • Hajtónyomaték-fordulatszám; M(n) • Állandó esés (H) és rögzített vezetőkerék állás (ε fajlagos nyitás (, pl: ε=1; 0,8; 0,6) ) mellett vizsgáljuk. Q

ε=

Qnévl .

• Célszerű fajlagos mennyiségekkel számolni H=1m D=1m

Ezt az □11 index jelöli Vízerő hasznosítás

Üzemi jelleggörbék D 2π Q = felület ⋅ sebesség ~ 4 Q Q11 így 2 = 2 = Q11 D H 1 1

2 gH ~ D 2 H ,

D ⋅ π ⋅ n = u ~ vízsebesség ~ 2 gH

Q11 =

Q D2 H

nD n11 = H


Üzemi jelleggörbék Pbev =

Q⋅ρ ⋅g ⋅H

η

~D

2

H ⋅H

Pbev D 2 H 3 2 M= ~ ~ = D3H n ω H D Pbev

Pbev P11 = D2H 3 2

M 11

M = D3H

Fontos: ha a sűrűség nem állandó, akkor nem hagyhatjuk el!


Üzemi jelleggörbék Q11

Q11

Q11 ε=1

ε=1 0,8

ε=1

0,6 0,6

η = áll.

η = áll. M11=0

n11 n11,megf

Pelton turbina

0,6 M11=0

η = áll.

M11=0 n11

n11

n11,megf

Francis turbina

n11,megf

Kaplan turbina

• A turbinákat megfutási fordulatszámra kell méretezni • Üzemzavar esetén (megszűnő terhelés) a vezetőlapátokat/sugárcsöveket gyorsan el kell zárni • A gyors zárás miatt nyomáshullámok alakulhatnak ki Vízerő hasznosítás

Kavitáció, szívóképesség A víz fázisdiagramja


Kavitáció, szívóképesség


Kavitáció, szívóképesség Kavitációs buborékok – mikrojetek kialakulása



2

S


Kavitáció, szívóképesség Szívócsőben csökkentik a távozó közeg mozgási energiáját (diffúzor kialakítás)

2 Hs

nő a hasznosítható esés S Bernoulli egyenlet: („2” és „S” pontok között) 2 2

2 S

p0 c p2 c ′ + Hs + = +0+ + hszívócső ρg 2 g ρg 2g

(

)

ρ 2 ′ p 2 = p 0 − ρgH s − c 2 − c S2 + hszívócső = p 0 − ρgH s − KQ 2 2 Vízerő hasznosítás

Kavitáció, szívóképesség Teljesülnie kell az alábbi feltételnek:

p2 = p0 − ρgH s − KQ 2 > p g 2

Mekkora a nyomástartalék? Hs

S

• Ezt az esés százalékában fejezzük ki:

NPSH r = σ ⋅ H • σ: Thoma-féle kavitációs szám • Megengedhető szívómagasság:

H s ,meg =

p0 − p g − KQ 2

ρg

−σ ⋅ H

Ha Hs negatív, akkor a járókerék az alvíz alatt helyezendő el. Vízerő hasznosítás



Kavitáció


Kavitáció


Kavitáció


Kavitáció - példák „Pistol crab”: pisztolyrák, kavitációs buborékkal sokkolja áldozatát


Kavitáció - példák Vadászat a Vörös Októberre


Törpe vízerőművek, PAT (Pump As Turbine)


Törpe vízerőművek, PAT










Szivattyús vízenergia rendszer



Szivattyús vízenergia rendszer

Zöld: szivattyú üzemmód (töltés) Piros: turbina üzemmód (kisütés)

Forrás: Wikipedia


Szivattyús vízenergia rendszer Goldisthal szivattyús vízerőmű • Elhelyezkedése: Németország, Thüringia tartomány • Beépített teljesítmény:

1060 MW

• Felső víztározó:

12 millió m3

• Alsó víztározó:

18,9 millió m3

• 4 darab Francis szivattyú-turbina (ebből kettő fordulatszám szabályzással) • Esés:

~350 m

• Gépház a hegy mélyén található barlangban


További megoldások Hullámerőmű (Wells turbina: széliránytól függetlenül egy irányba forog, „átpattan a lapátozás”)


További megoldások Hullámerőmű


További megoldások Árapály erőmű

Dagály

Apály


További megoldások Ozmózis erőmű


Turbina szabályzások • Aszinkron generátor, állandó fordulatszám igény • Víznyelés változtatásával szabályozható • Szabályozó részei: • • • •

Érzékelő: centrifugál inga Rendelkező: csúszógyűrű elmozdulás Jelképző: egész rudazat és a kényszerpályák Erősítő: hidraulika

• Szabályozó: fordulatszám-eltéréssel arányos jelleg: integráló viselkedés, lengésre, instabilitásra hajlamos • Szabályozó szervomotorok (tolattyúk): olaj vagy víznyomással működnek • Mechanikus – PLC szabályzás (biztonság)


Turbina szabályzások: Direkt vezérlés Nem elég nagy a szabályozó erő.


Turbina szabályzások Lengésre hajlamos.


Turbina szabályzások: Kaplan turbina


Turbina szabályzások: Kaplan turbina


Turbina szabályzások: Francis turbina


Turbina szabályzások: Francis turbina


Turbina szabályzások: Pelton turbina


Turbina szabályzások: Pelton turbina


Lengésvédelmi akna

Nagy esésű vízerőmű metszete lengésvédelmi vízaknával, Francis-turbinával (Forrás: J. Raabe, Hydraulische Maschinen und Anlagen, Teil 4, Wasserkraftanlagen, VDI Verlag, 1970) Nagyvérköri véráramlás modellezése

Köszönöm a figyelmet!

Megújuló energiaforrások Vízerő hasznosítás

Recommend Documents