Vízenergia hasznosítása

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 km3-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:  áramló vizek:

helyzeti és nyomási energia 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 - Francis-turbina és  Reakciós - 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 támlapátokkal merevített  a 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. a fordulatszámtól  Járókerekek függően: járású-60÷125,  lassú 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 ~ v3, 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.