Vandens energija ir jos pažabojimas

Įvadas 2
II. Upių energija ir jos pažabojimas 3
1.Lietuvos Upių nuotėkio duomenų taikymas hidroenergetikos tikslams 4
2. Mažosios HE 4
3. Mažosios turbinos 6
4. HE hidromazgo komponavimo schemos 7
5. Hidroagregatų komponavimas 8
6. Įrangos, statybos kaina 9
II. Kiti hidroenergijos panaudojimo būdai 10
Literatūros sąrašas 12Įvadas
Vanduo vienas labiausiai paplitusių pasaulyje junginių. Jis pasiskirstęs įvairiose platumose ir geografinėse aukštumose. Tai kodėl vandens nepanaudojus kaip energijos šaltinio, kuris būtų galima sakyti amžinas, nes artimiausiu metu jis nežada išnykti iš Žemės. Taigi, žmogus jau panaudojo vandenį savo reikmėms nuo senų laikų. Pirmiausia buvo sukurti mechanizmai, kurie paskirstydavo vandenį tolimesniems plotams, t.y. juos laistydavo. Kiek vėėliau atsirado vandens mentės, kurios suko masyvius krumpliaračius. Taip žmogus vandens pagalba malė grūdus ir atliko dar daug kitų žemės ūkio ir buities darbų. Dabar retai, kur bepamatysi tokių vandens malūnų, nebent likusius stiprius pamatu, kurie byloja apie jų galingą praeitį. Šiuo metu labai patogus energijos šaltinis yra elektra, nes ją galima paversti bet kokiu energijos tipu: šilumos, šviesos, magnetine ir dar daug kitomis. Iškilo žmogui uždavinys kaip pažaboti vandens energiją, elektros gamybai. Kai XIX a. mokslininkas Tesla išrado generatorių, nuuo tada pasaulis pradėjo naudoti vandenį, elektros gamybos procese.II. Upių energija ir jos pažabojimas
Vanduo upėje teka veikiamas vandens sunkio jėgos. Vandens tėkmės visą mechaninę energiją sukuria vandens tūrio sunkio bei hidrostatinio slėgio jėgos ir ji dar vadinama potencine energija bei tė

ėkmės greičio slėgio jėga, o jos sukurtą energiją – kinetine energija (turbinračio energija). Vanduo lyginamosios plokštumos (upės žiotys, ruožo pabaiga) atžvilgiu turi sukaupęs potencinę energiją, o upės vaga yra nešama vandens kinetinė energija. Mūsų gamtinėmis sąlygomis esant palyginti mažiems vandens greičiams, upių kinetinė energija maža. Tuo tarpu užtvenkus upę, galima sukaupti pakankamai reikšmingą vandens potencinę energiją, kuri įvertinama formule:

čia:

P – teorinė potencinė upės ruožo vandens galia (kW);

Q – upės ruožo vidutinis debitas (m3/s);

H – upės ruožo vandens lygio kritimas (m).

Taigi, suprantama, kad kuo didesnis užtvankos aukštis tuo didesnis gali būti upės ruožo kritimas. Tačiau be galo aukštos užtvankos statyti negalima, nes tai pasidaro labai pavojingas statinys.

Žinant galią P, nustatomas hidroenergijos kiekis E, (kWh) per h valandas (E=p.h), kuris yra pervedamas į elektros energijos kiekį peer tokią formulę:

;
čia:

EV – elektrovaros jėga (V);

e – vandens potencinės energijos vertimo į siurbliaračio kinetinę energijos naudingumo koeficientas;

e – mechaninės kinetinės energijos į elektros energiją naudingumo koeficientas;

Čia buvo tik bendra formulė, pagal kurią galima grubiai paskaičiuoti vandens potencinės energijos vertimo į elektros energiją vertę. Norint apskaičiuoti tiksliai reikia dar įvertinti ir kitus dydžius, kurie įeina į tuos pagrindinius naudingumo koeficientus, apie kuriuos jau šiek tiek paminėjau.1.Lietuvos Upių nuotėkio duomenų taikymas hidroenergetikos tikslams
Lietuvoje yra 472 upės, kurių baseino plotas F>20 km2 arba ilgis L>20 km. Tokios upės gali būti ja

au įdomios hidroenergetikos tikslams. Visų upių teorinė galia yra 585,1 tūkst. kW, o energija – 5129 mln. kWh per metus. Nemunas ir Nėris yra didesnės nei 100 tūkst. kW galios upės. 39 upės turi didesnę nei 1000 kW. Likusias upes galime laikyti mažos energetinės vertės upėmis.

Suprantama, kad prie tokių upių galima pastatyti hidroelektrinę, kuri galėtų patenkinti vietinius energetinius poreikius.

Šiuo metu yra efektyviausia statyti mažą hidroelektrinę, kuri galėtų patenkinti kelių vartotojų poreikius ir atsipirktų.

Šiuo metu Lietuvoje veikia 100,8 MW galios Kauno HE, pagaminanti kasmet apie 360 mln. kWh elektros energijos, 600 MW galios Kruonio HAE, kuri 1995 metais pagamino 378 mln. kWh bei sunaudojusi 537 mln. kWh elektros energijos, ir 15 mažųjų HE, kurių bendra galia 6,5 MW ir elektros energijos gamyba – 20 mln. kWh. Taigi šiuo metu šalyje bendra visų hidroelektrinių (išskyrus Kruonio HAE įrengta galia yra 107,3 MW, o elektros energijos gamyba – apie 380 mln. kWh per metus.

Palyginimui pažymėsiu, kad panaudojus visus galimus techniškai panaudoti hidroenergijos išteklius, būtų galima patenkinti iki 25 proc. visų šalies dabartinių elektros energijos poreikių. Tiesa, ekonomiškai tikslingai panaudoti hidroenergijos ištekliai bus mažesni, mūsų vertinimu, apie 2,45 mlrd. kWh per metus ir padengtų 17,5 proc. visų dabartinių poreikių.2. Mažosios HE
Terminas maža HE yra sąlyginis, norint išskirti ir pabrėžti nepriklausomo gamintojo statusą. Mažos HE priskiriamos išimtinai privačiam sektoriui. Jų įrengtos galios limitas yra mažiau ka
aip 10 MW.

Maža HE skiriasi nuo didelės pagal savo reikšmę. Jas statant taikomi tipiniai projektai, unifikuotos komponavimo schemos, standartiniai energetiniai ir valdymo įrenginiai. Jų pagaminta elektros energija tiekiama į vietinį elektros tinklą, valdymas visiškai automatizuotas, be aptarnaujančio personalo. Elektrinės projekto dalies darbus atlieka firma, teikianti energetinius įrengimus. Ji taip pat atlieka remonto darbus.

Maža HE – sena, gerai išbandyta technologija elektros energijai gaminti. Jos buvo plačiai statomos Lietuvoje 1952 – 1961 metais. Dabar prie jų grįžtama aukštesniame mokslo ir technikos lygmenyje – tobulesni energetiniai įrengimai, valdymas, statybos metai ir t.t.

Lyginant HE su kitais decentralizuotais energijos šaltiniais, reikia atsižvelgti į tokius jų privalumus: atsinaujinanti, švari energija, organinio kuro taupymas (apie 340 g/kWh), arti vartotojo, ilgas tarnavimo amžius (hidrotechnikos statinių – 100 metų, turbinos, uždorių ir kitų mechaninių dalių – 50 metų, valdymo įtaisų – 20 metų), nesudėtinga gamybos technologija, automatinis valdymas, kompleksiškumas su kitomis vandens ūkio šakomis. Nauji atsinaujinantys energijos šaltiniai – saulės, vėjo, bio, geoterminės šiuo metu yra eksperimentinėje ir parodomojoje stadijoje ir negali konkuruoti su mažosiomis HE.3. Mažosios turbinos
Mūsų šalyje negaminamos turbinos, nors pirmoji lietuviška turbina jau išbandyta prieš 2 metus Hidroenergetikų draugijos entuziastų ir ruošiamasi ją įrengti statomojoje Grigiškių HE.

Mažos galios turbinos sąlyginai gali būti skirstomos į dvi grupes:
a) klasikinės, t.y. sukurtas pagal klasikines hidraulines mašinas – Peltono (Lietuvoje mažai pritaikoma), propelerinė, Kaplano, Frensio;
b) specifinės, kurios gali būti pa
anaudotos ypatingomis sąlygomis.

Iš pastarųjų paminėtinos – aktyviosios turbinos: Banki – Mičelo – Osbergerio, paprastai vadinamos Banki arba skersasrautėmis (dvikartėmis), Turgo turbinos (Lietuvoje netaikoma), ir siurblinės turbinos (išcentrinis siurblys su priešinga tėkmės kryptimi). Pastarosios gali efektyviai veikti esant pastoviam debitui ir slėgio aukščiui.

Kapsuliniai hidroagregatai, paprastai vadinami kapsulinėmis turbinomis (Kaplano, propelerinės) arba panardinamais hidroagregatais. Generatorius ir turbina sudaro vieną agregatą ir yra sumontuoti viename metaliniame kevale, kurį iš visų pusių apteka vanduo. Vamzdiniame hidroagregate turbina yra metaliniame arba gelžbetoniniame vamzdyje, o generatorius yra išorėje, sujungtas su turbina velenu ar kitokia pavara. Prie kapsulinių hidroagregatų galima priskirti ir panardinamus švedų FLYGT hidroagregatus.

Propelerinės turbinos – pačios paprasčiausios ir pigiausios turbinos, kurios gali būti efektyvios tik upėms, pasižyminčiomis tolygiu nuotėkio režimu ir pastoviu slėgio aukščiu. Turbinos darbo rato mentės nereguliuojamos.

Kaplano turbinos – tai modifikuota propelerinė turbina. Ji viena iš geriausių ir tinkamiausių turbinų šalies upėms.

Panardinami hidroagregatai – tai vienas iš pažangesnių hidroagregatų tipų, gaminamų švedų firmos FLYGT. Jie mūsų šalies hidroenergetikams jau žinomi – montuojamas septintas hidroagregatas. Tai populiariausias turbinos tipas mūsų šalyje, nepaisant jo brangumo. Turbina, generatorius (pagal reikalą ir greičių dėžę) sudaro vieną agregatą.

Banki turbinos gali būti pagamintos įprastose dirbtuvėse, tačiau jos naudingumo koeficientas yra apie 10 proc. mažesnis nei gaminant moderniose gamyklose. Konstrukcija – labai paprasta, montavimas ir išmontavimas atliekamas lengvai. Jų įrengimas yra elementarus. Jos ypač tinka didele nuotėkio variacija pasižyminčiomis upėmis, kadangi lengvai galima reguliuoti praleidžiamą vandens debitą. Be to, Banki turbina efektyviai gali veikti net tuomet, kai praleidžiamas (laisvos eigos) debitas tesiekia 15 – 20 proc. nuo įrengto debito.

Frensio turbina ypač efektyviai dirba, kai ji veikia 60 – 100 proc. apkrovos zonoje. Tad jos panaudojimas žymiai mažesnis nei Banki turbinos.

Didžiausią įtaką turbinos parinkimui, jų skaičiui ir tuo pačiu HE efektyvumui turi upės metinė vidutinių paros debitų trukmių kreivė. Debitų trukmių kreivė gali būti apibūdinama vienu iš pagrindinių jos parametrų – nuotėkio natūralaus sureguliavimo koeficientu . Nuotėkio natūralaus išlyginimo atžvilgiu hidroenergetikai vertingiausios yra Rytų ir Pietryčių Lietuvos upės. Jų nuotėkio natūralus sureguliavimas siekia 0,70 – 0,80. Mažiau efektyvios hidroenergetikai yra Vidurio Lietuvos upės, kurios pasižymi netolygiu nuotėkiu, t. y. turi <0,35 – 0,50. Tokių upių Lietuvoje yra apie trečdalį (Nevėžio, Mituvos baseinai). Tarpinę padėtį užima Vakarų Lietuvos upės, jų =0,55.4. HE hidromazgo komponavimo schemos
Gali būti 3 pagrindinės mažųjų HE komponavimo schemos:
1. užtvankinės;
2. priešužtvankinės;
3. derivacinės.

Derivacinių HE pastatas dažniausiai būna nutolęs nuo užtvankos. Nepaisant to, kad mūsų lygumų krašto reljefas nėra palankus šio tipo HE rengti, tačiau daugeliu atveju tikslinga išnaudoti apylankas, ištiesinant upių vingius ir tuo pačiu laimint papildomo slėgio. Nors tam reikia didesnių pradinių investicijų, bet tai vėliau atsiperka.

Vandens ėmyklos. Tradicinės vandens ėmyklos gerai žinomos hidraulikos inžinieriams. Mūsų šalyje dar netaikyta Koanda vandens ėmykla. Iš esmės tai specifinis slenkstis, per kurio viršų žuvys bei kiti plūdmenys, lengvai praeina į žemutinio baseino aukštį. Pagrindinis jo trūkumas – slėgio aukščio nuostoliai siekiantys 1,2 m. tad HE, kurios slėgio aukštis mažesnis nei 10 – 15 m, šios ėmyklos tipas vargu ar pasiteisintų (netenkama apie 10 proc. viso slėgio aukščio). Pagrindiniai privalumai: nekenkia žuvims, nešmenys nepatenka į turbinas; nereikia valyti grotų, įrengti nešmenų nusodintuvo; žiemą neužšąlą; lengvas grotų montavimas (tvirtinama varžtais); sunkūs plūdmenys (rąstai ir panašiai) laisvai praplaukia slenkstį.

Užtvankos kainai sumažinti, geresniam jų integravimuisi į aplinką gali būti taikomos sintetinės, labai stiprios, elastingos, atsparios drėgmei, agresyvaus vandens poveikiui ir temperatūros svyravimui, ilgaamžės medžiagos: gumuotas audinys, plastiko plėvelė padengtas audinys, įvairios plastiko plėvelės. Pagrindiniai privalumai:
 pigumas, paprasta statyba ir eksploatacija;
 minimalios betono darbų apimtys;
 patikimumas, stiprumas, nepažeidžiamumas;
 ilgaamžiškumas (40ir daugiau metų);
 geras integravimasis į aplinką.

Daugelį atvejų tikslinga padidinti slėgio aukštį, t.y. paaukštinti užtvanką, užtikrinant normalų nuotėkio režimą ir siekiant pagaminti daugiau elektros energijos. Vakarų šalių gamintojai siūlo ne tik minkštos, bet ir standžių konstrukcijų užtvankų paaukštinimus. Pagrindinis jų privalumas yra ne tik konstrukcijos pigumas, bet ir galimybė automatiškai ir saugiai praleisti potvynius.5. Hidroagregatų komponavimas
Nemažai turbinų gamintojų (Sulzer Hydro, FLYGT, GEC ALSTHOM, VOITH ir kiti) įsisavino kompaktinius (surinktus gamykloje) hidroagregatus, kurios belieka tik nuleisti (dažniausiai automobiliniu kranu ir kt.) į jiems skirtą vietą. Ta, be abejo, žymiai padidina hidroagregatų patikimumą ir sumažina statybos trukmę.

Nepanardinami hidroagregatai. Tai klasikinis, gerai įsisavintas turbinų komponavimo būdas, kuris taikomas dviem variantais:
1. atvira kamera, turbina “šlapia”;
2. uždara kamera, turbina “sausa”.

Panardinami hidroagregatai. Tai jau minėti FLYGT hidroagregatai, kurie žymiai supaprastina HE statybą. Seni hidrotechnikos statiniai (malūnai, apleistos HE) lengvai pritaikomi HE įrengti. Pastato praktiškai nėra, t. y., HE mažai pastebima, todėl ji gerai integruojasi į aplinką. HE gali būti net povandeninė, t. y. po upės vaga. Valdymas automatinis, distancinis. HE komponavimo schemos labai įvairios: atvira, uždara sifoninė vandens ėmykla, sifoninė, povandeninė kamera ir kt.

Sifoninės komponavimo schemos. Taikomas nedideliems slėgiams (<10 m) ir turbinoms, kurių galia mažesnė už 1 MW. Hidroagregatas arba vien tik turbina (generatorius išorėje) gali būti montuojama vamzdyje. Ši komponavimo schema ypač tinka prie esamų užtvankų, nes pastarosios transformavimo darbai, palyginus su bet kuria kita schema, minimalūs. Kitaip tariant, sifono vamzdynas praeina per žemių užtvankos ar gelžbetonio slenksčio viršų. Taupant metalą, viršutinė ir žemutinė pastato dalis gali būti gelžbetoninė. Vienas iš pagrindinių minusų yra sudėtinga eksploatacija žiemos metu.

S tipo hidroagregatų komponavimas. Tai labiausiai paplitusi HE komponavimo schema tiek Vakarų Europoje, tiek likusiame pasaulyje. Vamzdyno forma (nuo vandens ėmyklos, turbinos iki vandens išleistuvo primena gulsčia S raidę. Paprastumo dėlei net pati turbina vadinama S tipo, nors tai nieko bendro neturi su jos forma ar konstrukcija. Generatorius esti išorėje, daugiausiai horizontalioje padėtyje, tad HE pastatai su generatoriais (išskyrus gal būt vertikalų generatoriaus montavimą) žymiai didesni (20 – 30 proc.), palyginus su panardinamais hidroagregatais. Vienas iš pagrindinių privalumų – lengvas generatoriaus aptarnavimas.

Kapsuliniai hidroagregatai. Jie dažniausiai naudojami didelėse HE, pasižyminčioms ypač dideliu debitu. Tačiau taikomos ir mažose HE vamzdyne arba atviroje kameroje. Tenka pastebėti, kad kapsuliniai agregatai – vieni iš brangiausių. Pastaruoju metu sukurti maži kompaktiški hidroagregatai su generatoriaus išorėje, krumpliaratine ar diržine pavara. Kai kada jie vadinami kapsuliniais, nepaisant to, kad generatoriaus nepanardintas.

HE pastato konstrukcija. Pastatas privalo apsaugoti elektromechaninę įrangą nuo nepalankių meteorologinių veiksnių. Kaip rodo patirtis, daugeliu atveju antžeminės pastato dalies gali ir nebūti, tuo sutaupant išlaidas statybai. Tai galima įgyvendinti naudojant panardinimus, kapsulinius hidroagregatus. Be abejo, transformatoriui ir HE valdymo – kontrolės įrangai būtinas antžeminis pastatas. Norint maksimaliai išnaudoti energetinį potencialą, mažo slėgio HE turbinos turi būti išdėstomos kuo arčiau žemutinio baseino. Tačiau tai ne visada pavyksta, nes reikia pastatą apsaugoti nuo potvynių.6. Įrangos, statybos kaina
Hidromechaninė įranga (turbina, generatorius, valdymo prietaisai) sudaro iki 40 proc. visos HE kainos. Praktika rodo, kad įrengto kW kaina didžiausia 100 – 300 kW galios HE. Didėjant ar mažėjant HE galiai nuo nurodytos ribos, ši kaina pastebimai mažėja.

Vakarų Europos gaminamų mažo slėgio turbinų kainą sąlyginai galima suskirstyti į tris lygius, priklausomai nuo jų naudingumo koeficiento reikšmės:
 aukšta kaina – naudingumo koeficiento reikšmė didelė (92 proc.), išliekant pastovi plačiame debitų diapazone. Tai dvigubo reguliavimo turbinos;
 vidutinė kaina – geras naudingumo koeficientas (85 proc.), išliekantis pastovus ir esant mažai apkrovai. Tai dvigubo reguliavimo turbinos.
 Maža kaina – naudingumo koeficiento reikšmė patenkinama (75 – 85 proc.), tačiau ji greitai mažėja, krintant apkrovai. Tai turbinos, kurių darbo rato ar kreipračio mentės fiksuotos. Joms priklauso propelerinės, Banki turbinos.

Mažos HE statybos kaina priklauso nuo įrengtos galios dydžio, patvankos aukščio, komponavimo schemos, hidrotechnikos statinių sudėties ir konstrukcijos, hidroagregatų tipo ir skaičiaus, upės hidrologinių rodiklių vandens vartotojų komplekso, statybos sąlygų bei jos organizavimo.

Pagrindinis techninis ir ekonominis rodiklis yra įrengto 1 kW kaina. Ji skirtinga, priklausomai nuo išvardintų veiksnių, nuo 1000 iki 3000 JAV dolerių. Kaip rodo pastatytų naujų mažųjų HE kainų analizė, vidutinė įrengto 1 kW prie esamo tvenkinio kaina gali būti apie 1500 dolerių. Investicijos atsiperka per 13 metų jei yra 0,15 Lt/kWh elektros kaina.II. Kiti hidroenergijos panaudojimo būdai
Šiuo metu vis plačiau yra panaudojama bangų energija. Vandens bangų panaudojimas nėra labai paprastas, nes turi būti padaryti specialūs plūdurai, kurie sujungti su tam tikra pavara. Ta pavara yra sujungta su elektros generatoriumi, kuris dažniausiai yra ant kranto. Plūdurai yra išsidėstę skersai kranto ir kai pareina banga jie yra nevienodai linguojami, taip sukuriamas judesys aukštyn – žemyn, kuris vėliau paverčiamas sukamuoju judesiu. Kadangi tų plūdurų gali būti daug, tai yra sukuriamas didelis mechaninis momentas, kuris patikimai suka generatorių. Suprantama, kad tokios hidroelektrinės yra įrengiamos ten, kur yra didelis bangavimas, o tai yra prie didelių vandens telkinių – vandenynų.

Dar vienas hidroenergijos panaudojimo būdas yra potvynių energija. Žinoma, kad vandenynai periodiškai patvinsta, tai atsitinka kiekvieną parą arba nuo mėnulio poveikio. Tokios hidroelektrinės veikimas yra pagrįstas tuo, kad tam tikru paros metu yra užtvindomi vandens baseinai, kurie yra šalia kranto. Kai potvynis praeina, iš baseinų yra išleidžiamas vanduo per turbinas atgal į vandenyną. Čia vėl vandens potencinė energija yra paverčiama į turbinračio kinetinę energiją. Po to kinetinės energijos vertimo į elektros energiją procesai yra tie patys, kaip ir upių HE.

Lietuvoje veikia hidro akumuliacinė elektrinė, kuri įrengta Kruonyje prie Nemuno. Jos veikimo principas būtų panašus, kaip ir potvynių He, tik vandenį į baseinus pildo galingi elektros siurbliai, kurie veikia naktį, kai nėra piko valandų. Taip yra sunaudojamas naktinis elektros perteklius. Dieną, kai elektros energijos poreikis yra didelis, yra išleidžiamas sukauptas vandens kiekis iš baseinų per didelio skersmens vamzdžius, kuriuose yra įmontuoti elektros generatoriai.

Taigi, vandens energija yra perspektyvus elektros energijos gavimo šaltinis vien dėl to, kad tai yra švari energija, tačiau negalima padaryti didelės galios HE, nes tai riboja užtvankų dydis. HE gali palaikyti elektros energijos balansą. Dabartiniu metu mes turime perteklinį elektros energijos kiekį. Tačiau neskaitant to, vandens potencinę energiją galima panaudoti ir tokiems tikslams kaip daržų laistymui ar dar kam nors kitkam.Literatūros sąrašas
1. Saulės ir kiti atsinaujinantys energijos šaltiniai žemės ūkiui. Lietuvos žemės ūkio inžinerijos institutas. “Milga”. 1998 m.;
2. Burneikis J. Hidroenergetika Lietuvoje//Lietuvos hidrometeorologijos istorija. Hidrometeorologijos straipsniai 15. V., 1992 p. 96 – 113.
3. interneto adresas:http://www.lms.lt/saule/main/hidrol.html

Leave a Comment