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: 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 kezdeteiVízturbina 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 kezdeteiTurbina 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 vezetőkerék-

lapátjai 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 ÷ 225gyors 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 erőműhttp://www.ibela.sulinet.hu/termtud/energia/vizenergia_elemei/kariba.jpe

Duzzasztós erőműhttp://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 engedtékAz árcsúcsponton a zsilipeket bezárták.Apálykor a víz csak a vízikeréken keresztül távozott, mozgásávalforgási 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.