Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας

Transcript

1 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας Ενότητα : ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ III Σκόδρας Γεώργιος, Αν. Καθηγητής gskodras@uowm.gr Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ψηφιακά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Η υδροηλεκτρική ενέργεια, είναι η πιο σημαντική και ευρεία χρησιμοποιούμενη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Αντιπροσωπεύει το 19% της συνολικής παραγωγής ηλεκτρισμού. Σε όλο τον κόσμο υπάρχουν σήμερα περίπου μεγάλα υδροηλεκτρικά φράγματα σε λειτουργία. Η χώρα με τη μεγαλύτερη παραγωγή υδροηλεκτρισμού είναι ο Καναδάς και ακολουθούν οι Η.Π.Α. και η Βραζιλία. 4

5 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Προέρχεται από την εκμετάλλευση των υδάτων των ποταμών. Η υδροηλεκτρική ενέργεια δεν παράγει αέριους ρύπους και κατά συνέπεια έχει αισθητά μικρότερη επίδραση στην ατμόσφαιρα. 5

6 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Το μέχρι σήμερα αναξιοποίητο υδροηλεκτρικό δυναμικό της ηπειρωτικής κυρίως Ελλάδος, θα μπορούσε να καλύψει σημαντικό ποσοστό της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης. Σε αρκετές περιοχές της Ελλάδος μπορούν να κατασκευαστούν από ιδιώτες μικροί υδροηλεκτρικοί σταθμοί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 6

7 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Πρέπει να σημειωθεί εδώ, ότι ενώ η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται τη στιγμή που απαιτείται από τους καταναλωτές το νερό το οποίο αποταμιεύεται σε ταμιευτήρες για μελλοντική χρήση για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άρδευση κατά τη διάρκεια ξηρών περιόδων, σαν απόθεμα νερού, εμπλουτισμό λιμνών, αθλητικά γεγονότα, τουρισμό κλπ. 7

8 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Παράλληλα το κύριο κριτήριο για την κατασκευή ή όχι ενός υδροηλεκτρικού εργοστασίου δεν είναι μόνο η δυνατότητα παραγωγής φτηνής και καθαρής για το περιβάλλον ενέργειας αλλά η σωστότερη, οικολογική επέμβαση στη φύση για διατήρηση της φύσης της περιοχής και τη σωστή Περιφερειακή ανάπτυξη της χώρας. Η πρόσφατη νομοθεσία που αφορά την δυνατότητα του ιδιωτικού τομέα να παράγει ηλεκτρική ενέργεια, αναμένεται να ενισχύσει σημαντικά το ενδιαφέρον επενδυτών στον τομέα των Α.Π.Ε. 8

9 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Πολλές Κοινότητες αλλά και ιδιώτες έχουν εκφράσει το ενδιαφέρον τους για την κατασκευή και εκμετάλλευση μικρών υδροηλεκτρικών εργοστασίων. Επιπρόσθετα, συνήθως τέτοιες επενδύσεις επιχορηγούνται και συγχρηματοδοτούνται από το Ελληνικό Κράτος και την Ευρωπαϊκή Ένωση. 9

10 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Το νερό κάνοντας τον "κύκλο του" στη φύση έχει δυναμική ενέργεια, όταν βρίσκεται σε περιοχές με μεγάλο υψόμετρο, η οποία μετατρέπεται σε κινητική, όταν το νερό ρέει προς χαμηλότερες περιοχές. Με τα υδροηλεκτρικά έργα (υδροταμιευτήρας, φράγμα, κλειστός αγωγός πτώσεως, υδροστρόβιλος, ηλεκτρογεννήτρια, διώρυγα φυγής) εκμεταλλευόμαστε την ενέργεια του νερού για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος το οποίο διοχετεύεται στην κατανάλωση με το ηλεκτρικό δίκτυο. 10

11 Υδροηλεκτρική Ενέργεια 11

12 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Η μετατροπή της ενέργειας των υδατοπτώσεων με τη χρήση υδραυλικών τουρμπίνων παράγει την υδροηλεκτρική ενέργεια. Η υδροηλεκτρική ενέργεια ταξινομείται σε μεγάλης και μικρής κλίμακας. Η μικρή κλίμακας υδροηλεκτρική ενέργεια διαφέρει σημαντικά από τη μεγάλης κλίμακας σε ότι αφορά τις επιπτώσεις στο περιβάλλον. Οι μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικές μονάδες απαιτούν τη δημιουργία φραγμάτων και τεράστιων δεξαμενών με σημαντικές επιπτώσεις στο άμεσο περιβάλλον. 12

13 Υδροηλεκτρική Ενέργεια 13

14 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Η κατασκευή φραγμάτων για τη συγκέντρωση νερού περιορίζει τη μετακίνηση των ψαριών, της άγριας ζωής και επηρεάζει ολόκληρο το οικοσύστημα. Τα μικρής κλίμακας συστήματα τοποθετούνται δίπλα σε ποτάμια και κανάλια και έχουν λιγότερες επιπτώσεις στο περιβάλλον οικοσύστημα. Υδροηλεκτρικές μονάδες λιγότερες των 30 MW σε μέγεθος χαρακτηρίζονται μικρής κλίμακας και θεωρούνται ανανεώσιμες πηγές. Το γρήγορα κινούμενο νερό οδηγείται μέσα από τούνελ να περιστρέψει τουρμπίνες, δημιουργώντας έτσι μηχανική ενέργεια. Μια γεννήτρια μετατρέπει αυτή την ενέργεια σε ηλεκτρική. 14

15 Υδροηλεκτρική Ενέργεια 15

16 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Διαφορετικά από ότι συμβαίνει με τα ορυκτά καύσιμα, το νερό δεν αχρηστεύεται κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλους σκοπούς. Φυσικά, μόνο σε περιοχές με σημαντικές υδατοπτώσεις, πλούσιες πηγές και κατάλληλη γεωλογική διαμόρφωση είναι δυνατόν να κατασκευασθούν υδατοταμιευτήρες. Συνήθως η ενέργεια που τελικώς παράγεται, χρησιμοποιείται μόνο συμπληρωματικά με άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας, σε ώρες αιχμής. Στη χώρα μας η υδροηλεκτρική ενέργεια ικανοποιεί το 10% των ενεργειακών μας αναγκών. 16

17 Υδροηλεκτρική Ενέργεια 17

18 Πλεονεκτήματα από τη χρήση της υδροηλεκτρικής ενέργειας Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί είναι δυνατό να τεθούν σε λειτουργία αμέσως μόλις ζητηθεί επιπλέον ηλεκτρική ενέργεια, σε αντίθεση με τους θερμικούς σταθμούς (γαιανθράκων, πετρελαίου), που απαιτούν χρόνο προετοιμασίας Μέσω των υδροταμιευτήρων δίνεται η δυνατότητα να ικανοποιηθούν και άλλες ανάγκες, όπως ύδρευση, άρδευση, ανάσχεση χειμάρρων, δημιουργία υγροτόπων, αναψυχή, αθλητισμός 18

19 Πλεονεκτήματα από τη χρήση της υδροηλεκτρικής ενέργειας 19

20 Πλεονεκτήματα από τη χρήση της υδροηλεκτρικής ενέργειας Σε 140 χώρες, τα φράγματα παρέχουν φτηνή υδροηλεκτρική ενέργεια. Σε παγκόσμια κλίμακα, παρέχουν το 19% της παραγόμενης ενέργειας και διαμέσου της άρδευσης, το 16% της παγκόσμιας διατροφής. Μερικά φράγματα συνεχίζουν να λειτουργούν μετά από χρόνια, παρέχοντας ρεύμα και νερό. Η υδροηλεκτρική ενέργεια παίζει σοβαρό ρόλο στη μείωση των εκπομπών αερίων που δημιουργούν το "φαινόμενο του θερμοκηπίου" κατά 13%, αφού παράγει το αντίστοιχο της ενέργειας που σε διαφορετική περίπτωση θα παραγόταν με άλλο τρόπο που θα δημιουργούσε αέρια θερμοκηπίου. 20

21 Πλεονεκτήματα από τη χρήση της υδροηλεκτρικής ενέργειας 21

22 Τα μειονεκτήματα που συνήθως εμφανίζονται Τα μειονεκτήματα που συνήθως εμφανίζονται είναι: Το μεγάλο κόστος κατασκευής φραγμάτων και εξοπλισμού των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, όπως και ο πολύς χρόνος που απαιτείται μέχρι την αποπεράτωση του έργου Η έντονη περιβαλλοντική αλλοίωση στην περιοχή του ταμιευτήρα (ενδεχόμενη μετακίνηση πληθυσμών, υποβάθμιση περιοχών, αλλαγή στη χρήση γης, στη χλωρίδα και πανίδα περιοχών αλλά και του τοπικού κλίματος, πλήρωση ταμιευτήρων με φερτές ύλες, αύξηση σεισμικής επικινδυνότητας, κ.ά.). Η διεθνής πρακτική σήμερα προσανατολίζεται στην κατασκευή μικρών φραγμάτων. 22

23 Τα μειονεκτήματα που συνήθως εμφανίζονται Τα υδροηλεκτρικά φράγματα χτισμένα για να παρέχουν ηλεκτρισμό αλλά και νερό για άρδευση αλλά και για να ελέγχουν τη ροή των ποταμών, να περιορίζουν τις πλημμύρες και τις ξηρασίες, έχουν αποκτήσει μια δυσανάλογα μεγάλη επίδραση στο περιβάλλον. Συνολικά έχουν κατακλύσει περισσότερα από τετραγωνικά χιλιόμετρα γης, κυρίως γόνιμης. 23

24 Τα μειονεκτήματα που συνήθως εμφανίζονται Συνολικά το ένα πέμπτο των ψαριών του γλυκού νερού ή έχουν ήδη εξαφανιστεί ή απειλούνται σοβαρά. Κάπου 40 με 80 εκατομμύρια άνθρωποι, έχουν εγκαταλείψει τα σπίτια τους εξαιτίας της κατασκευής φραγμάτων, αναγκασμένοι να εγκατασταθούν ξανά σε άλλες, λιγότερο γόνιμες εκτάσεις. 24

25 Τα μειονεκτήματα που συνήθως εμφανίζονται Από την άλλη πλευρά: τα μεγάλα φράγματα έχουν οδηγήσει στην απώλεια δασών και βιοτόπων αλλά και στη βιοποικιλότητα των νερών των ποταμών. Τα μεγάλα φράγματα, στις πιο πολλές περιπτώσεις, απέτυχαν συστηματικά να συμβάλλουν στην αποκατάσταση των αρνητικών συνεπειών για τους πληθυσμούς που μετακινήθηκαν εξαιτίας τους. Με 80 περίπου εκατομμύρια ανθρώπους να έχουν μετακινηθεί από τα σπίτια τους και πολύ περισσότερους, που ζουν στα χαμηλότερα μέρη της ροής του ποταμού, να υποφέρουν από τις έμμεσες επιπτώσεις (π.χ. απώλεια αλιευμάτων), οι προσπάθειες μετριασμού των επιπτώσεων ήταν αναποτελεσματικές. 25

26 Μικρά Υδροηλεκτρικά Έργα Η υδραυλική ενέργεια, η ενέργεια του νερού, είναι μια ανανεώσιμη, και αποκεντρωμένη πηγή ενέργειας που υπηρέτησε και υπηρετεί πιστά τον άνθρωπο στο δρόμο της ανάπτυξης. Πολυάριθμοι υδραυλικοί τροχοί, νερόμυλοι, δριστέλλες, υδροτριβεία, πριονιστήρια, κλωστοϋφαντουργεία και άλλοι μηχανισμοί υδροκίνησης συνεχίζουν ακόμη και σήμερα να χρησιμοποιούν τη δύναμη του νερού, συμβάλλοντας σημαντικά στην πρόοδο της τοπικής οικονομίας πολλών περιοχών, με απόλυτα φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. 26

27 Μικρά Υδροηλεκτρικά Έργα 27

28 Μικρά Υδροηλεκτρικά Έργα Σε πολλά σημεία του ελληνικού χώρου κάποιες παραδοσιακές, αλλά και σύγχρονες εγκαταστάσεις Μικρών Υδροηλεκτρικών Έργων εξακολουθούν να αξιοποιούν την ενέργεια του νερού για την παραγωγή μηχανικού έργου αλλά κυρίως πλέον για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Η αξιοποίηση του μικρού υδροδυναμικού των χιλιάδων μικρών ή μεγαλύτερων υδατορρευμάτων και πηγών της ορεινής Ελλάδος περνά από την υλοποίηση αποκεντρωμένων, αναπτυξιακών μικρών υδροηλεκτρικών σταθμών πολλαπλής σκοπιμότητας, που μπορούν δηλαδή να λειτουργούν και για την ταυτόχρονη κάλυψη υδρευτικών, αρδευτικών και άλλων τοπικών αναγκών. 28

29 Μικρά Υδροηλεκτρικά Έργα Στην ευρύτερη περιοχή Σιδηροκάστρου Λειτουργούν 4 μικρά υδροηλεκτρικά έργα που εκμεταλεύονται α) το νερό από την λίμνη Κερκίνης και β) παραποτάμων του Στρυμώνα στην περιοχή Αγκίστρου. Οι πολύ υψηλοί βαθμοί απόδοσης των υδροστροβίλων, που μερικές φορές υπερβαίνουν και το 90%, και η πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής των υδροηλεκτρικών έργων, που μπορεί να υπερβαίνει και τα 100 έτη, αποτελούν δύο χαρακτηριστικούς δείκτες για την ενεργειακή αποτελεσματικότητα και την τεχνολογική ωριμότητα των μικρών υδροηλεκτρικών σταθμών. 29

30 Μικρά Υδροηλεκτρικά Έργα Τα μικρά υδροηλεκτρικά έργα παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα όπως είναι η δυνατότητα άμεσης σύνδεσης - απόζευξης στο δίκτυο, ή η αυτόνομη λειτουργία τους, η αξιοπιστία τους, η παραγωγή ενέργειας αρίστης ποιότητας χωρίς διακυμάνσεις, η άριστη διαχρονική συμπεριφορά τους, η μεγάλη διάρκεια ζωής, ο προβλέψιμος χρόνος απόσβεσης των αναγκαίων επενδύσεων που οφείλεται στο πολύ χαμηλό κόστος συντήρησης και λειτουργίας και στην ανυπαρξία κόστους πρώτης ύλης, η φιλικότητα προς το περιβάλλον με τις μηδενικές εκπομπές ρύπων και τις περιορισμένες περιβαλλοντικές επιπτώσεις, η ταυτόχρονη ικανοποίηση και άλλων αναγκών χρήσης νερού (ύδρευσης, άρδευσης, κλπ.), η δυνατότητα παρεμβολής τους σε υπάρχουσες υδραυλικές εγκαταστάσεις, κ.α. 30

31 Μικρά Υδροηλεκτρικά Έργα Εξ' ορισμού, ένας μικρός υδροηλεκτρικός σταθμός αποτελεί ένα έργο απόλυτα συμβατό με το περιβάλλον, που μπορεί να συμβάλει ακόμη και στη δημιουργία νέων υδροβιοτόπων μικρής κλίμακας στα ανάντη των μικρών Ταμιευτήρων. Το σύνολο των επί μέρους συνιστωσών του έργου μπορεί να ενταχθεί αισθητικά και λειτουργικά στα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος, αξιοποιώντας τα τοπικά υλικά με παραδοσιακό τρόπο και αναβαθμίζοντας το γύρω χώρο. 31

32 Μικρά Υδροηλεκτρικά Έργα Σε διάφορες συζητήσεις (ενεργειακής) πολιτικής, ο τίτλος του "ανανεώσιμου" απονέμεται μερικές φορές σε κείνες μόνο τις τεχνολογίες που συμπαθούμε και απαγορεύεται να χρησιμοποιηθεί για αυτές που δεν συμπαθούμε. Τέτοιες αντιλήψεις, βέβαια, αποτελούν σαθρή βάση για τη λήψη σοβαρών αποφάσεων πολιτικής. Εδώ και χρόνια, υπάρχει ένας ευρέως αποδεκτός ορισμός της "ανανεώσιμης ενέργειας" - είναι εκείνος ο ενεργειακός πόρος που δεν απομειώνεται κατά τη διαδικασία παραγωγής της ενέργειας. Η αιολική, η ηλιακή, η υδροηλεκτρική, η γεωθερμική ενέργεια και η ενέργεια από βιομάζα, όλες ικανοποιούν τον ορισμό αυτό. 32

33 Μικρά Υδροηλεκτρικά Έργα Με πηγή τον ήλιο, ο υδρολογικός κύκλος, ο οποίος επαναφορτίζει τα ποτάμια, είναι ουσιαστικά ανεξάντλητος. Η υδροηλεκτρική ενέργεια μετατρέπει την πτώση του νερού σε ηλεκτρισμό, χωρίς να χρησιμοποιεί παραπάνω νερό από αυτό που παράγεται από τη φύση. Γι αυτό, εξ ορισμού, η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι ανανεώσιμη. Εάν η ανησυχία ορισμένων αφορά την "υγεία" του ποταμιού, τότε οι σχετικές συζητήσεις θα πρέπει να επικεντρωθούν σ' αυτήν ακριβώς την "υγεία" και όχι σε ρητορικά επιχειρήματα. Η υδροηλεκτρική ενέργεια έχει τη δυνατότητα είτε να ενισχύσει είτε να επηρρεάσει την "υγεία" ενός ποταμιού. Ο καλύτερος τρόπος για να εξεταστούν τα αντίστοιχα ζητήματα πολιτικής, είναι να συζητηθούν επισταμένως οι επιπτώσεις, θετικές και αρνητικές της υδροηλεκτρικής αξιοποίησης, καθώς και οι δυνατότητες αποτελεσματικής αντιμετώπισης των όποιων προβλημάτων της. 33

34 Μικρά Υδροηλεκτρικά Έργα 34

35 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων Οι Υδροηλεκτρικές μονάδες αξιοποιούν την ενέργεια του νερού και χρησιμοποιώντας μια απλή μέθοδο μετατρέπουν την ενέργεια αυτή σε ηλεκτρικό ρεύμα. Οι μονάδες αυτές βασίζονται στην κίνηση του νερού που περιστρέφει μια τουρμπίνα η οποία θέτει σε λειτουργία μια γεννήτρια. Οι περισσότερες υδροηλεκτρικές μονάδες χρησιμοποιούν ένα φράγμα το οποίο συγκρατεί μια μεγάλη ποσότητα νερού δημιουργώντας έτσι μια μεγάλη δεξαμενή. Κάποιες θύρες στο φράγμα ανοίγουν και λόγω της βαρύτητας το νερό περνάει σε έναν αγωγό ο οποίος το οδηγεί σε μια τουρμπίνα. Καθώς αυτό περνάει από τον αγωγό δημιουργεί μεγάλη πίεση. Το νερό πέφτει πάνω στις φτερωτές μιας τουρμπίνας και την περιστρέφει 35

36 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων 36

37 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων Ο πιο συνηθισμένος τύπος τουρμπίνας για υδροηλεκτρικές μονάδες είναι η τουρμπίνα Franchis η οποία μοιάζει με ένα μεγάλο δίσκο με κυρτές φτερωτές. Μια τέτοια τουρμπίνα μπορεί να ζυγίζει μέχρι 172 τόνους και να κάνει 90 περιστροφές το λεπτό. Καθώς οι φτερωτές της τουρμπίνας περιστρέφονται, περιστρέφουν τους μαγνήτες της γεννήτριας γύρω από ένα πηνίο θέτοντας σε κίνηση ηλεκτρόνια και δημιουργώντας έτσι εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα Ο μετασχηματιστής παίρνει το εναλλασσόμενο ρεύμα και το μετατρέπει σε ρεύμα υψηλής τάσης. Έξω από κάθε υδροηλεκτρική μονάδα υπάρχουν τέσσερα καλώδια: οι τρεις φάσεις του ρεύματος που δημιουργούνται ταυτόχρονα συν η ουδέτερη ή γείωση και για τις τρεις. 37

38 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων 38

39 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων Το νερό στην δεξαμενή θεωρείται αποθηκευμένη ενέργεια. Όταν ανοίγουν οι θύρες το νερό που περνά μέσα από τον αγωγό γίνεται κινητική ενέργεια λόγω της κίνησής του. Η ποσότητα του ηλεκτρισμού που παράγεται καθορίζεται από αρκετούς παράγοντες. Δυο από αυτούς είναι ο όγκος του νερού που ρέει και η ποσότητα της υδραυλικής κεφαλής. Υδραυλική κεφαλή είναι η απόσταση μεταξύ της επιφάνεια του νερού και της τουρμπίνας. Όσο αυξάνεται ο όγκος του νερού και της υδραυλικής κεφαλής τόσο αυξάνεται και το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Το μέγεθος της υδραυλικής κεφαλής εξαρτάται από την ποσότητα του νερού της δεξαμενής. 39

40 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων Οι περισσότερες υδροηλεκτρικές μονάδες λειτουργούν με αυτόν τον τρόπο. Όμως υπάρχει και ένας άλλος τύπος υδροηλεκτρικής μονάδας. Σε μια συμβατική υδροηλεκτρική μονάδα το νερό από την δεξαμενή περνάει από την τουρμπίνα και καταλήγει πάλι στο ποτάμι. Οι νέες υδροηλεκτρικές μονάδες χρησιμοποιούν δύο δεξαμενές. Την ανώτερη δεξαμενή η οποία συγκεντρώνει το νερό που συγκρατεί το φράγμα και χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Την κατώτερη δεξαμενή η οποία συγκεντρώνει το νερό που φεύγει από τις τουρμπίνες, αντί να γυρίζει πίσω στο ποτάμι. Μια αντίστροφη τουρμπίνα διοχετεύει αυτό το νερό πάλι πίσω στην ανώτερη δεξαμενή. Επιστρέφοντας το νερό πίσω η μονάδα έχει περισσότερο νερό για χρήση σε περιόδους αιχμής. 40

41 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων Οι υδροηλεκτρικές μονάδες εκμεταλλεύονται μια φυσική συνεχή μέθοδο - την διαδικασία που προκαλεί τη βροχή και δημιουργεί τα ποτάμια. Κάθε μέρα ο πλανήτης μας αποβάλλει μια μικρή ποσότητα νερού στην ατμόσφαιρα καθώς οι υπεριώδεις ακτίνες του ήλιου διασπούν τα μόρια του νερού. Αλλά ταυτόχρονα άλλο νερό εμφανίζεται λόγω της ηφαιστειακής δραστηριότητας. Το ποσό του νερού που δημιουργείται και το ποσό που χάνεται είναι περίπου το ίδιο. 41

42 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων 42

43 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων 43

44 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων Ο όγκος του συνόλου του νερού εμφανίζεται σε διαφορετικές μορφές. Μπορεί να είναι σε υγρή μορφή πχ Οι ωκεανοί, τα ποτάμια, η βροχή, σε στερεή μορφή όπως οι παγετώνες και σε αέρια μορφή όπως οι υδρατμοί στην ατμόσφαιρα. Το νερό αλλάζει μορφές καθώς κινείται γύρω από τον πλανήτη από ρεύματα αέρος. Τα ρεύματα αέρος δημιουργούνται από την θερμική ακτινοβολία του ήλιου. Τα αέρια ρεύματα δημιουργούνται επειδή ο ήλιος θερμαίνει τον Ισημερινό περισσότερο από άλλα μέρη της γης. Τα ρεύματα του αέρα μεταφέρουν το νερό μέσα από τον δικό του κύκλο, που ονομάζεται υδρολογικός κύκλος. 44

45 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων Ο ήλιος θερμαίνει το νερό και το μετατρέπει σε υδρατμούς οι οποίοι γεμίζουν τον αέρα. Ο ήλιος επίσης θερμαίνει τον αέρα. Ο θερμός αέρας ανεβαίνει στην ατμόσφαιρα μεταφέροντας τους υδρατμούς. Στα ανώτερα στρώματα συναντά ψυχρά ρεύματα αέρα. Οι υδρατμοί ψύχονται και γίνονται μικρά σταγονίδια νερού που σχηματίζουν σύννεφα. Όταν αρκετά σταγονίδια συσσωρευτούν βαραίνουν και πέφτουν ξανά στην γη σαν βροχή, χαλάζι ή χιόνι. Ο υδρολογικός κύκλος είναι σημαντικός για τις υδροηλεκτρικές μονάδες επειδή η ροή νερού σ αυτές εξαρτάται από αυτόν. Λιγότερες βροχές σημαίνει λιγότερο νερό και λιγότερη παραγωγή ηλεκτρισμού. 45

46 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων 46

47 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών μονάδων 47

48 Τυπική διάταξη υδροηλεκτρικού έργου 48

49 Υπολογισμός δυναμικού Βασικές αρχές λειτουργίας ενός υδροηλεκτρικού έργου: Το νερό, που βρίσκεται σε ένα υψηλό επίπεδο, πέφτει από ένα ύψος Η, και η δυναµική του ενέργεια µετατρέπεται σε κινητική µε την περιστροφή του στροβίλου. Ο περιστρεφόµενος άξονας οδηγεί την ηλεκτρική ενέργεια, η οποία παράγει ηλεκτρισµό 49

50 Υπολογισμός δυναμικού 50

51 Τυπικές καμπύλες διάρκειας ροής Στο σχήμα φαίνονται τυπικές καμπύλες διάρκειας ροής. Ο άξονας των ψ δείχνει την ροή, ενώ στον άξονα των χ είναι το ποσοστό του χρόνου κατά το οποίο µια ροή είναι μεγαλύτερη ή ίση από την συγκεκριμένη ποσότητα ροής. Οι καμπύλες αυτές επιτρέπουν να εκτιμηθεί η διαθεσιμότητα της παροχής µε τον χρόνο και στην συνέχεια η ισχύς και η παραγόμενη Ενέργεια 51

52 Τυπικές καμπύλες διάρκειας ροής 52

53 Υπολογισμός δυναμικού Η ισχύς την οποία διαθέτει µια μάζα νερού που ρέει από ένα ύψος είναι: P = ρ Q g H (1) P : ισχύς, [ kg m 2 s -3 ] ρ : πυκνότητα νερού, [ kg m -3 ] Q : παροχή όγκου του νερού, [m 3 s -1 ] g : επιτάχυνση της βαρύτητας, [m s -2 ] H : η υψομετρική διαφορά, [m] Από την βασική αυτή σχέση προκύπτει ότι για να υπάρχει µια σταθερή ισχύς απαιτείται η παροχή του νερού να είναι σταθερή, και αυτό συνεπάγεται την ύπαρξη ή κατασκευή ενός φράγματος και την ύπαρξη µια αναγκαίας στάθμης βροχόπτωσης, συνήθως όχι μικρότερης από 400 mm το χρόνο. Με προσεγγιστικά δεδομένα (ακρίβεια 50%) μπορεί να γίνει µια πρώτη εκτίμηση, αλλά για µια πλήρη μελέτη απαιτούνται κλιματολογικά στοιχεία για µια χρονική περίοδο ορισμένων χρόνων, καθώς τα μετεωρολογικά φαινόμενα είναι στοχαστικά. 53

54 Υπολογισμός δυναμικού Για τον υπολογισμό της υψομετρικής διαφοράς Η, χρησιμοποιούνται τριγωνοµετρικές μέθοδοι, ενώ για τον υπολογισμό της παροχής όγκου Q, που είναι πιο δύσκολος, απαιτείται ο υπολογισμός τόσον της ταχύτητας u, όσο και της επιφανείας Α, σύμφωνα µε την σχέση: Q = u n da (2) = μέση ταχύτητα x επιφάνεια ροής Q παροχή όγκου [ m 3 s -1 ] u ταχύτητα [ m s -1 ] n κάθετο διάνυσμα στην επιφάνεια ροής da στοιχειώδης επιφάνεια ροής [ m 2 ] 54

55 Περιβαλλοντικό πλαίσιο H μελέτη αξιολόγησης και βιωσιμότητας ενός υδροηλεκτρικού έργου περιλαμβάνει την τοπογραφική, υδρολογική και γεωλογική μελέτη της περιοχής, την μελέτης της σεισμικότητας και την μελέτη χρήσης γης Η τοπογραφία της περιοχής που περιβάλλει το σύστημα ποταμός παραπόταμοι θα πρέπει να επιτρέπει την αποθήκευση της συνολικής μάζας του νερού, θα πρέπει δηλαδή να έχει σχήμα "V" για μεγάλο ύψος ή σχήμα "U" για μικρό ύψος 55

56 Περιβαλλοντικό πλαίσιο H γεωλογία της περιοχής θα πρέπει να εξασφαλίζει από προβλήματα διαρροών, αστάθειας της περιμετρικής ζώνης της τεχνητής λίμνης, και από επαγόμενη σεισμικότητα Επιπροσθέτως θα πρέπει να υπάρχει διαθέσιμος χώρος για την αναγκαία υποδομή του έργου (φράγμα, κτήρια, αγωγοί, κλπ.), καθώς και για την πρόσβαση και μεταφορά ανθρώπων, υλικών και μηχανημάτων, και την προσωρινή εγκατάσταση της υποδομής κατασκευής του έργου 56

57 Περιβαλλοντικό πλαίσιο Η μελέτη της υδρολογίας της περιοχής περιλαμβάνει την εκτίμηση της ελάχιστης ποσότητας ροής του νερού που θα πρέπει να διατηρείται καθ όλη την διάρκεια του ετήσιου υδρολογικού κύκλου ώστε να εξασφαλίζεται συνεχής παραγωγή ενέργειας, παράμετροι που καθορίζουν τον τύπο και το μέγεθος του σταθμού. Αυτό επιτυγχάνεται µε την δημιουργία της τεχνητής λίμνης και την εν συνεχεία ρύθμιση της ροής, αλλά και µε δεδομένα όπως η ετήσια ροή και η εποχιακή μεταβλητότητα. Θα πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη για το μέγεθος και την συχνότητα πλημυρών, ώστε αυτές να µην έχουν επίπτωση στην σταθερότητα του φράγματος. Η ποιότητα του νερού τέλος θα πρέπει να εξασφαλίζει από ακραία φορτία ιλύος στον ταμιευτήρα 57

58 Περιβαλλοντικό πλαίσιο Η καλή λειτουργία και η βιωσιμότητα του φράγματος εξαρτώνται από την γεωλογία της περιοχής. Τα στρώματα θεμελιώσεως ποικίλουν από βράχο μέχρι βότσαλα, άμμο, πηλώδη υλικά, που μπορεί να µην είναι ομοιογενή. Σημαντικές παράμετροι είναι η στατική και η δυναμική αντοχή της περιοχής θεμελιώσεως του φράγματος, τα χαρακτηριστικά στατικής και δυναμικής παραμόρφωσης του υλικού θεμελιώσεως, και το βάθος των ευνοϊκών στρωμάτων θεμελιώσεως 58

59 Περιβαλλοντικό πλαίσιο Θα πρέπει επίσης να εξετάζεται η σεισμικότητα της περιοχής (σεισμοί, ρήγματα κλπ.), ώστε να λαμβάνεται υπόψη στην κατασκευή για την μείωση του κινδύνου αστοχίας της κατασκευής, ενώ σοβαρά θα πρέπει να μελετάται η περίπτωση της επαγόμενης σεισμικότητας από την αποθήκευση της μεγάλης μάζας του νερού 59

60 Περιβαλλοντικό πλαίσιο Η τελική μορφή του υδροηλεκτρικού σταθμού και της τεχνολογίας που θα επιλεγεί καθορίζεται από τις απαιτήσεις ισχύος, όπως εγκατεστημένη ισχύς και ενεργειακές ανάγκες (πρωτογενείς, δευτερογενείς, αιχμής και αποθεματικές) Στην περίπτωση που μια συγκεκριμένη περιοχή έχει επιλεγεί λόγω καταλληλότητας για την εγκατάσταση υδροηλεκτρικού σταθμού Τότε η δυνάμενη να παραχθεί ισχύς καθορίζεται από το περιβαλλοντικό πλαίσιο και τις προκύπτουσες, από μηχανικής απόψεως, λύσεις για την συγκεκριμένη τοποθεσία 60

61 Περιβαλλοντικό πλαίσιο 61

62 Τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών Διακρίνονται δύο κύριες κατηγορίες σταθμών: Σταθμοί Ροής Ποταμού Σταθμοί Αποθήκευσης Νερού Σταθμοί Ροής Ποταμού: Αυτοί οι σταθμοί χρησιμοποιούν λίγο, έως καθόλου, αποθηκευμένο νερό για την ροή μέσα από τους υδροστροβίλους Παρόλο που μερικοί σταθμοί αποθηκεύουν νερό για λειτουργία μιας ημέρας, ή μιας εβδομάδας, αλλαγές του καιρού -ιδιαίτερα οι εποχιακές μεταβολές- προκαλούν σημαντικές διακυμάνσεις στην παραγωγή ισχύος 62

63 Τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών Τέτοιοι σταθμοί κατασκευάζονται σε περιπτώσεις που υπάρχει μεγάλη ροή σε ποτάμια µε μικρό βάθος, σε ποτάμια µε μεγάλο φορτίο ιλύος και σε περιοχές οι οποίες είναι ακατάλληλες για ανέγερση φραγμάτων Στην Ελλάδα σταθμός ροής ποταμού είναι εγκατεστημένος στον ποταμό Λούρο. Αρχικά ο σταθμός διέθετε μικρό φράγμα, όταν όμως η συσσωρευμένη ιλύς κατέστησε το φράγμα ανενεργό, ο σταθμός μετετράπη σε σταθμό ροής ποταμού 63

64 Τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών 64

65 Τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών Σταθμοί Αποθήκευσης Νερού: Οι σταθμοί αυτοί διαθέτουν µέσω μιας λίμνης, συνήθως τεχνητής, ικανή αποθηκευτική χωρητικότητα ώστε να ανταπεξέρχονται στις εποχιακές μεταβολές της ροής του νερού και παρέχουν μια σταθερή παροχή ηλεκτρισμού σε όλη την διάρκεια του έτους Μεγάλα φράγματα έχουν την δυνατότητα να αποθηκεύσουν νερό για λειτουργία αρκετών ετών 65

66 Τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών 66

67 Τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών Σταθμοί Αποθήκευσης Νερού με Άντληση: Σε αντίθεση µε τους συμβατικούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς αποθήκευσης, οι σταθμοί αποθήκευσης µε άντληση επαναχρησιμοποιούν το νερό Διαθέτουν σύστημα δύο ταμιευτήρων και αφού το νερό αφήσει τον πρώτο ταμιευτήρα (υψηλά), διέλθει από τους στροβίλους και παράγει ηλεκτρισμό, ρέει στον δεύτερο ταμιευτήρα (χαμηλά) Κατά την διάρκεια περιόδων που δεν υπάρχει αυξημένη ζήτηση ηλεκτρισμού, μέρος του νερού αντλείται από τον ταμιευτήρα που ευρίσκεται χαμηλά (µε αναστροφή της λειτουργίας των στροβίλων που λειτουργούν ως αντλίες) στον υψηλότερο ταμιευτήρα και μπορεί συνεπώς να επαναληφθεί ο κύκλος παραγωγής ηλεκτρισμού 67

68 Τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών Είναι προφανές ότι για την άντληση αυτή απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια, την οποία λαμβάνει από το δίκτυο το οποίο τροφοδοτείται από τους συμβατικούς θερμικούς σταθμούς Τέτοια έργα θεωρούνται ως από τα πλέον ιδανικά για αποθήκευση και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Οι σταθμοί αυτοί διαθέτουν µέσω μιας λίμνης, συνήθως τεχνητής, ικανή αποθηκευτική χωρητικότητα ώστε να ανταπεξέρχονται στις εποχιακές μεταβολές της ροής του νερού και παρέχουν μια σταθερή παροχή ηλεκτρισμού σε όλη την διάρκεια του έτους 68

69 Τύποι υδροηλεκτρικών σταθμών Η χωρητικότητα αποθήκευσης ενός ταμιευτήρα είναι η πλέον σημαντική παράμετρος των φυσικών χαρακτηριστικών του. Εξαρτάται από την ποσότητα και την μεταβολή της φυσικής ροής του νερού, ενώ θα πρέπει να καλύπτει τις εκ των προτέρων υπολογισθείσες ενεργειακές ανάγκες. Όμως ο προσδιορισμός της χωρητικότητας και του σχεδιασμού του ταμιευτήρα μπορεί να εξαρτηθεί από µη-ενεργειακές καταναλώσεις, όπως: ανάγκες άρδευσης, έλεγχο πλημμυρών, βιομηχανικές και αστικές χρήσεις, απαιτήσεις αναψυχής, διατήρηση αλιευμάτων και άγριας πανίδας 69

70 Τύποι φραγμάτων Ο τύπος του φράγματος για έναν υδροηλεκτρικό σταθμό εξαρτάται από μια σειρά παράγοντες, όπως: η γεωλογία της περιοχής, οι χρήσεις του, η διαθεσιμότητα υλικών και μηχανημάτων, οι τοπικές κλιματολογικές συνθήκες κατά την κατασκευή και λειτουργία του έργου, η αισθητική εμφάνιση, το κόστος κατασκευής Συνήθως τα φράγματα ταξινομούνται ανάλογα µε το υλικό κατασκευής Φράγματα από τσιμέντο: Κατασκευάζονται συνήθως πάνω σε βραχώδη θεμελίωση και απαιτείται η εύκολη πρόσβαση σε λατομεία άμμου, χαλικιών και αδρανών υλικών. Στο σχήμα φαίνεται μια σχηματική διάταξη ενός φράγματος από οπλισμένο σκυρόδεμα 70

71 Τύποι φραγμάτων 71

72 Τύποι φραγμάτων Χωμάτινα Φράγματα: Η σταθερότητα τους εξαρτάται από την συνολική μάζα τους, η οποία θα πρέπει να είναι ικανή να αντέχει τα αναπτυσσόμενα φορτία, το δε υλικό πλήρωσης θα πρέπει να μειώνει τις υδραυλικές τάσεις μέσα στο φράγμα και στην θεμελίωση ούτως ώστε να ελαχιστοποιούνται οι διαρροές νερού και οι μετακινήσεις υλικών Η ανάντη πλευρά του φράγματος προστατεύεται συνήθως µε βράχια ή χώμα, ενώ η κατάντη θα πρέπει να διαθέτει βλάστηση ώστε να µην υφίσταται διάβρωση από την βροχή Σχηματική διάταξη φαίνεται στο σχήμα 72

73 Τύποι φραγμάτων 73

74 Κτίρια Υδροηλεκτρικών Σταθμών Το κτιριακό συγκρότημα ενός υδροηλεκτρικού σταθμού μπορεί να είναι ενσωματωμένο μέσα στο φράγμα, ή να ευρίσκεται μακράν αυτού, όταν υπάρχει η δυνατότητα πρόσθετου υδραυλικού ύψους. Ενίοτε είναι υπόγειο (ανεγείρεται μέσα σε σπήλαιο), όταν δεν υπάρχει διαθέσιμος χώρος ή για την αποφυγή περιβαλλοντικών πιέσεων. Το συγκρότημα περιλαμβάνει το καθεαυτό κτήριο του σταθμού, το σύστημα στροβίλου-γεννήτριας και συστήματος ψύξεως, το ηλεκτρικό υποσύστημα µε τους διακόπτες και τα συστήματα ελέγχου, βοηθητικά συστήματα και μηχανήματα όπως, γερανούς, μηχανικά συστήματα και συστήματα θέρμανσης και ψύξης 74

75 Κτίρια Υδροηλεκτρικών Σταθμών 75

76 Υδροστρόβιλοι Η ελάχιστη και η μέγιστη παροχή, καθώς και το εύρος ύψους λειτουργίας καθορίζουν το επίπεδο της ενέργειας που μπορεί να παραχθεί σε μια τοποθεσία Η απόδοση της ενεργειακής μετατροπής των μονάδων στροβίλου-γεννήτριας είναι συνήθως 80-85% Οι υδροστρόβιλοι ταξινομούνται είτε σύμφωνα µε την κατεύθυνση της ροής του νερού στα πτερύγια σε: αξονικούς, ακτινικούς, ή συνδυασμένη ροής είτε σε αντίδρασης, πρόσπτωσης, συνδυασμού αντίδρασης-πρόσπτωσης 76

77 Υδροστρόβιλοι Στους υδροστροβίλους πρόσπτωσης το ρευστό προσπίπτει στον υδροστρόβιλο και τον εξαναγκάζει σε περιστροφή, ενώ οι υδροστρόβιλοι αντίδρασης είναι ενσωματωμένοι μέσα στην ροή και εκμεταλλεύονται την πτώση πίεσης του ρευστού μεταξύ εισόδου και εξόδου από τον υδροστρόβιλο Οι υδροστρόβιλοι αντίδρασης έχουν το πλεονέκτημα ότι η λειτουργία τους μπορεί να αντιστραφεί, και να λειτουργήσουν ως αντλίες μεταφέροντες το νερό σε υψηλότερη στάθμη, εξασφαλίζοντας µε αυτόν τον τρόπο ενεργειακή αποθήκευση 77

78 Υδροστρόβιλοι 78

79 Υδροστρόβιλοι Πρόσπτωσης Οι υδροστρόβιλοι πρόσπτωσης είναι οι παλαιότεροι τύποι υδραυλικών μηχανών που χρησιμοποιούνται για την μετατροπή της υδραυλικής ενέργειας σε μηχανικό έργο Είναι οι απλούστεροι, από πλευράς σχεδιασμού, ευκολίας συντήρησης και ελέγχου Χρησιμοποιούνται κατά βάση σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς µε μεγάλα υδραυλικά ύψη και χαμηλές παροχές Καθώς έχουν χαμηλή ειδική ταχύτητα ροής, ο σχεδιασμός τους δεν απαιτεί ιδιαίτερη πολυπλοκότητα και βαριά κατασκευή 79

80 Υδροστρόβιλοι Πρόσπτωσης Αν προκύψει ανάγκη όμως, είναι δυνατόν να αυξηθεί η ειδική ταχύτητα ροής µε την προσθήκη περισσοτέρων ακροφυσίων Παράλληλα επειδή λειτουργούν σε ατμοσφαιρική πίεση δεν απαιτείται ιδιαίτερος σχεδιασμός όσον αφορά την συναρμογή και στεγανότητα του κελύφους Σαν συνέπεια αυτών και άλλων πλεονεκτημάτων οι υδροστρόβιλοι πρόσπτωσης είναι από τις πλέον ευρέως διαδεδομένες μηχανές για μικρά υδροηλεκτρικά έργα 80

81 Υδροστρόβιλοι Πρόσπτωσης 81

82 Υδροστρόβιλοι Πρόσπτωσης 82

83 Υδροστρόβιλοι Πρόσπτωσης Βασικές Αρχές Ο υδροστρόβιλος πρόσπτωσης εκμεταλλεύεται το συνολικά διαθέσιμο ύψος του νερού, δηλαδή την κινητική ενέργεια μιας ή περισσοτέρων δεσµών νερού (jets) για να στρέψει τον δρομέα Η ροή του νερού λαμβάνει χώρα µε μια ελεύθερη επιφάνεια σε επαφή µε τον ατμοσφαιρικό αέρα, το οποίο συνεπάγεται ότι η διαθέσιμη ενέργεια εξάγεται από την ροή σε ατμοσφαιρική πίεση 83

84 Υδροστρόβιλοι Πρόσπτωσης Βασικές Αρχές Δεν υπάρχει μεταβολή της πίεσης κατά μήκος των πτερυγίων και η ροή στον δρομέα αλλάζει µόνο διεύθυνση, καθώς το μέγεθος της σχετικής ταχύτητας παραμένει το ίδιο Το έργο εκτελείται στον δρομέα από το ρευστό λόγω της μεταβολής της γωνιακής ορμής και της κίνησης των πτερυγίων 84

85 Υδροστρόβιλοι Πρόσπτωσης Βασικές Αρχές 85

86 Υδροστρόβιλοι Πρόσπτωσης Βασικές Αρχές Οι σημαντικότεροι τύποι υδροστροβίλων που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι: Ο δρομέας Pelton Ο υδροστρόβιλος εγκάρσιας ροής 86

87 Δρομέας Pelton Τα πλεονεκτήματα σε σύγκριση µε τους άλλους υδροστροβίλους πρόσπτωσης είναι: είναι οι πλέον απλές μηχανές όσον αφορά την κατασκευή, την λειτουργία και την συντήρηση έχουν γενικά καλή απόδοση φορτίου και είναι σε θέση να ανταπεξέλθουν σε σημαντικές μεταβολές ροής που συνήθως συμβαίνουν σε μικρά υδροηλεκτρικά έργα για περιπτώσεις μεγάλου υδραυλικού ύψους ο τροχός Pelton είναι ο πλέον αποδοτικός από τους υδροστροβίλους πρόσπτωσης και, για δεδομένο ύψος και ισχύ, καλύπτει το μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών (2-200 m) ανάμεσα στους διάφορους τύπους διαθέσιμων υδροστροβίλων ενώ συγχρόνως προσφέρει ικανοποιητικό βαθμό απόδοσης απαιτούν μικρό χώρο εγκατάστασης 87

88 Δρομέας Pelton 88

89 Δρομέας Pelton Σχηματική διάταξη δρομέα Pelton 89

90 Υδροστρόβιλος εγκάρσιας ροής Αποτελείται από 1. ακροφύσιο 2. πτερύγιο 3. δροµέας 4. άξονας 5. έδρανο περιστροφής 6. κέλυφος 7. αγωγός ελκυσµού 8. βάννα κατευθύνσεως 9. βαλβίδα αέρα 90

91 Δρομέας Pelton Υπολογισμοί Αν η ταχύτητα του νερού κατά την έξοδο από το ακροφύσιο είναι u και η σταθερή ταχύτητα μετατοπίσεως του κάδου u κάδου, τότε η δύναμη που αναπτύσσεται F υπολογίζεται: F = 2 ρ Q (u - u καδου x ) όπου Q είναι η συνολική παροχή ρ η πυκνότητα του νερού x το μοναδιαίο διάνυσμα του άξονα αναφοράς Ταχύτητες νερού σε ακροφύσιο και κάδο σε ακίνητο σύστημα αξόνων 91

92 Δρομέας Pelton Υπολογισμοί Η ισχύς που αναπτύσσεται από την εφαρμογή αυτής της δυνάμεως επάνω στον κινούμενο κάδο είναι: Η μέγιστη ισχύς θα ισχύει όταν: είναι δε P = F u κάδου = 2 ρ Q (u u κάδου ) (2) u κάδου = ½ u (3) P max = ½ ρ Q u 2 (4) 92

93 Δρομέας Pelton Υπολογισμοί Η ισχύς αυτή είναι θεωρητική, ο βαθμός απόδοσης του τροχού Pelton είναι συνήθως της τάξεως η = Αν το διαθέσιμο ύψος είναι Η, τότε η ταχύτητα του νερού υπολογίζεται σύμφωνα µε την αρχή του Bernoulli: u = [2 g H] ½ (5) όπου g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας Καθώς δε η συνολική παροχή διοχετεύεται μέσα από n ακροφύσια, έκαστον µε διατομή α, η συνολική παροχή θα είναι: Q = n α u (6) 93

94 Δρομέας Pelton Υπολογισμοί Λαμβάνοντας υπόψη τον βαθμό απόδοσης η, η διαθέσιμη ισχύς από τον τροχό θα είναι: η ο βαθμός απόδοσης ρ η πυκνότητα P0 = η P n o αριθμός των ακροφυσίων = η ½ ρ Q u2 (7) = ½ η ρ n α ( 2 g H )2/3 α η επιφάνεια της διατομής του ακροφυσίου g η επιτάχυνση της βαρύτητας Η η υψομετρική διαφορά του νερού 94

95 Δρομέας Pelton Υπολογισμοί Στην περίπτωση που ο τροχός Pelton έχει ακτίνα R και στρέφεται µε γωνιακή ταχύτητα ω, τότε η ισχύς Ρ θα είναι: (3) P = F R u κάδου = F R ω (8) R = ½ [2 g H] ½ ω -1 95

96 Δρομέας Pelton Υπολογισμοί Η διατομή των ακροφυσίων είναι κυκλική με ακτίνα rακρ, συνεπώς (7) r akr 2 r akr n P 0 2 g H 3 2 (9) (8),(9) r 2 R 0.68 P SN n SN 3 4 g H (10) Η σχέση (10) συνδέει το σχήμα του τροχού Pelton (μέσω των r ακρ, R και n) και την περίμετρο SN που χαρακτηρίζει τις συνθήκες λειτουργίας και επομένως την μηχανική απόδοση κάτω από αυτές τις συνθήκες 96

97 Υδροστρόβιλοι αντίδρασης Οι υδροστρόβιλοι αντίδρασης στηρίζονται σε ένα διαφορετικό σχεδιασμό, όπου το ρεύμα του νερού περνάει συνεχώς. μέσα από ολόκληρη την περιφέρεια του υδροστροβίλου, και εξέρχεται αξονικά Με τον τρόπο αυτό το ρευστό παρέχει μια σταθερή ώθηση στον δρομέα, αντίθετα µε τους υδροστροβίλους πρόσπτωσης όπου υπάρχει μια σειρά από διαδοχικές κρούσεις επάνω στους κάδους του τροχού Οι πλέον σημαντικοί τύποι υδροστροβίλων αντίδρασης είναι οι: Francis και Kaplan (οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα) 97

98 Υδροστρόβιλοι αντίδρασης Οι υδροστρόβιλοι αντίδρασης μπορούν να εκμεταλλευτούν μια μεγαλύτερη παροχή, αλλά παρουσιάζουν προβλήματα µε τις μεγάλες αυξομειώσεις της πίεσης του ρευστού το οποίο προκαλεί ζημιές στα πτερύγια Ταυτόχρονα η απόδοση τους μειώνεται σημαντικά όταν υπάρχει μείωση της ροής, και χρειάζεται πιο πολύπλοκος μηχανισμός για αλλαγές της διεύθυνσης των πτερυγίων, ώστε η ροή να είναι πάντα κάθετη σε αυτά 98

99 Υδροστρόβιλοι αντίδρασης 99

100 Υδροστρόβιλοι αντίδρασης Υδροηλεκτρικό έργο με υδροστρόβιλοι τύπου Francis 100

101 Υδροστρόβιλοι αντίδρασης Υδροηλεκτρικό έργο με υδροστρόβιλοι τύπου Kaplan 101

102 Επιλογή υδροστροβίλου Ανάλογα µε τις διαφορετικές συνθήκες σε ένα μέρος, όπως αυτές προσδιορίζονται από το διαθέσιμο ύψος και από την παροχή, επιλέγεται και ένας διαφορετικός τύπος υδροστροβίλου Το σχήμα προσφέρει ένα χρήσιμο οδηγό για την αρχική επιλογή του πλέον κατάλληλου υδροστροβίλου 102

103 Ταμιευτήρες Ο ταμιευτήρας κατασκευάζεται ώστε να αποθηκεύει νερό κατά την διάρκεια περιόδων υψηλής βροχόπτωσης και να το αποδίδει σε περιόδους χαμηλής, αντιμετωπίζοντας µε αυτόν τον τρόπο την κυμαινόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας Ταυτόχρονα µε την αύξηση του υδραυλικού ύψους αυξάνεται η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς Για την αξιολόγηση της καταλληλότητας του ταμιευτήρα θα πρέπει να εξετάζονται παράγοντες που αφορούν το μέγεθος, την θέση, την σταθερότητα της όχθης, την διεισδυτικότητα του νερού, την σεισμικότητα, την εξάτμιση, την απόθεση ιλύος και την δημιουργία ιζήματος, άλλα συναφή έργα ( π.χ. εγκαταστάσεις αναψυχής, υπηρεσιών) 103

104 Ταμιευτήρες Θα πρέπει επίσης να προσδιορίζονται οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις και τα μέτρα για μείωση τους, όπως και η συνολική λειτουργία του ταμιευτήρα Η αποθηκευτική χωρητικότητα του ταμιευτήρα είναι το πλέον σημαντικό χαρακτηριστικό του και εξαρτάται από την ποσότητα και την μεταβολή της φυσικής ροής των νερών, και πρώτο μέλημα είναι η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών Ο προσδιορισμός της χωρητικότητας ενός ταμιευτήρα και ο τρόπος κατασκευής του εξαρτώνται και από τις µήενεργειακές χρήσεις του, όπως: οι απαιτήσεις άρδευσης, ο έλεγχος των πλημμυρών, αστικές και βιομηχανικές χρήσεις, χρήσεις αναψυχής, διατήρηση και ανάπτυξη της αλιείας 104

105 Ταμιευτήρες Οι διάφορες χρήσεις ενός ταμιευτήρα επιβάλλουν διαφορετικά κριτήρια στον σχεδιασμό Η παραγωγή ενέργειας δεν καταναλίσκει ενέργεια, καθώς οιαδήποτε ποσότητα νερού που διέρχεται για οποιαδήποτε άλλη χρήση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού Για την εξασφάλιση όμως μιας σταθερής παραγωγής ενέργειας κατά την διάρκεια περιόδων µε διακυμάνσεις στην βροχόπτωση, διατηρείται μια ξεχωριστή ποσότητα νερού, καθώς οι ανάγκες άρδευσης και ύδρευσης μπορεί να µην συμπίπτουν χρονικά µε την ηλεκτροπαραγωγή Η εξασφάλιση από πλημμύρες, που ισοδυναμεί ουσιαστικά µε την απαίτηση για έναν άδειο χώρο αποθήκευσης είναι η λιγότερο συμβατή χρήση από όλες τις άλλες 105

106 Ταμιευτήρες Οι απαιτήσεις για νερό αστικής και βιομηχανικής χρήσης επηρεάζεται από τον πληθυσμό, και την εκτιμούμενη μελλοντική αύξηση και από τις παρούσες και μελλοντικές βιομηχανικές χρήσεις Παράγοντες που επηρεάζουν την κατανάλωση νερού είναι το κλίμα, τα χαρακτηριστικά και το μέγεθος των αστικών κέντρων, το είδος της βιομηχανίας /εμπορίου, και τα τιμολόγια κόστους Υπάρχει επίσης η ανάγκη για την διατήρηση μιας συμπληρωματικής αποθηκευτικής ζώνης ασφαλείας για την κάλυψη έκτακτων αναγκών ύδρευσης και άρδευσης 106

107 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις που θα πρέπει να αντιμετωπισθούν από μια μελέτη ενός υδροηλεκτρικού σταθμού είναι εντελώς διαφορετικές από εκείνες ενός συμβατικού θερμικού σταθμού Ένας υδροηλεκτρικός σταθμός δεν εκπέμπει αέριους ρύπους ή άλλα αέρια, αλλά η κατασκευή και λειτουργία του έχουν σοβαρές επιπτώσεις σε ανθρώπους, ζώα, φυτά και ολόκληρα οικοσυστήματα Σαν συνέπεια, οι περιβαλλοντικές εκτιμήσεις θα πρέπει να καλύπτουν ένα ευρύτερο πεδίο τόσο περιβαλλοντικών πιέσεων όσο και κοινωνικών επιπτώσεων σε ανθρώπους και κοινότητες που αναγκάζονται να μετακινηθούν σε άλλες περιοχές, ή που οι πηγές νερού και τα οικοσυστήματα τους μπορεί να μεταβληθούν από το έργο 107

108 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Η κατασκευή, παράδοση και λειτουργία ενός υδροηλεκτρικού έργου καταλήγει συνήθως σε μια σειρά από θετικές και αρνητικές επιδράσεις, τόσο στην άμεση περιοχή του ποταμού (ανάντη και κατάντη) όσο και στην ευρύτερη περιοχή Αυτές οι επιπτώσεις αφορούν την υδρολογία και λιμνολογία της περιοχής, την ποιότητα του νερού, την διαχείριση της λεκάνης συλλογής των νερών, τις πιθανές σεισμικές επιπτώσεις, τα ζώα και τα αλιεύματα, και βέβαια τις επιπτώσεις από την ίδια την κατασκευή του έργου 108

109 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Λιµνολογικές και υδρολογικές επιπτώσεις: Για την δέσμευση του υδροηλεκτρικού δυναμικού απαιτείται, όπως αναφέρθηκε, μια τροποποίηση της ροής του νερού και, τις περισσότερες φορές, η κατασκευή ενός φράγματος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία ή μεταβολή, λιμνών, ποταμών, χειμάρρων, ή παλιρροιακών ρευμάτων 109

110 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Έλεγχος των λιµνολογικών και υδρολογικών επιπτώσεων: Για μια εμπεριστατωμένη μελέτη του προβλήματος απαιτείται η συλλογή πληροφοριών σχετικά µε: μακροχρόνια στοιχεία ροής του ποταμού, καμπύλες υψομετρικής στάθμης, επιφάνειας και χωρητικότητας του ταμιευτήρα, επίπεδο του νερού πριν- και μετά- την ολοκλήρωση του έργου, χαρακτηριστικά του ποταμού κατάντη, απαιτήσεις ροής στα κατάντη, σχεδιασμός του αγωγού υπερχείλισης λόγω πλημμύρας, καμπύλες πλημυρών και περιόδων χαμηλής ροής, στοιχεία ιζηματογένεσης, απώλειες ύδατος στο ποτάμι, ποιότητα νερού, λειτουργικά όρια, καθαρή εξάτμιση ταμιευτήρα, μελλοντική ανάπτυξη της λεκάνης συλλογής και απαιτήσεις σε νερό 110

111 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Υπόγεια Νερά: Τα υδροηλεκτρικά έργα µε τεχνητή λίμνη έχουν συχνά επίδραση και στο επίπεδο των υπογείων νερών. Το μέγεθος της επίδρασης μειώνεται µε την απόσταση από την τεχνητή λίμνη και την διαπερατότητα του εδάφους 111

112 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Ευτροφισµός: Ευτροφισµός είναι η διαδικασία συσσώρευσης των θρεπτικών ουσιών και οι συνεπακόλουθες μεταβολές στην τροφική κατάσταση και στην βιολογική παραγωγικότητα του ταμιευτήρα. Διακρίνονται τρείς κατηγορίες: αλυσοτροφικός χαμηλό θρεπτικό περιεχόμενο και χαμηλή βιολογική παραγωγικότητα, μεσοτροφικός ενδιάμεσο θρεπτικό περιεχόμενο και μέτρια βιολογική παραγωγικότητα και ευτροφικός υψηλό θρεπτικό περιεχόμενο και υψηλή βιολογική παραγωγικότητα. Για την δέσμευση του υδροηλεκτρικού δυναμικού απαιτείται, όπως αναφέρθηκε, μια τροποποίηση της ροής του νερού και, τις περισσότερες φορές, η κατασκευή ενός φράγματος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία ή μεταβολή, λιμνών, ποταμών, χειμάρρων, ή παλιρροιακών ρευμάτων 112

113 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Εναπόθεση ιιζήματος: Όταν το ίζημα εισέρχεται μέσα στον ταμιευτήρα, λόγω της μείωσης της ταχύτητας ροής, τα μεγαλύτερα σωμάτια εναποτίθενται πρώτα στην επάνω περιοχή εισόδου του ταμιευτήρα. Στην συνέχεια, τα μικρότερα σωματίδια εναποτίθενται παρακάτω μέσα στον πυθμένα του ταμιευτήρα. Στο τέλος μια τέτοια εναπόθεση ιζήματος θα γεμίσει πλήρως τον ταμιευτήρα, εκτός αν ληφθούν κάποια ανασταλτικά μέτρα 113

114 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Έλεγχος της ιζηµατογένεσης: Είναι σημαντικό να συμπεριλαμβάνεται στον σχεδιασμό ιζηµατογενής ανάλυση όλων των έργων, για να εξακριβώνεται η σημασία του προβλήματος οι πιθανές επιπτώσεις και ο προσδιορισμός των πηγών, των δρόμων μεταφοράς και άλλων ειδικών επιπτώσεων. Είναι προφανώς σημαντικό να μελετάται τόσο η περιοχή του ταμιευτήρα όσο και η περιοχή κατάντη. Για την αντιμετώπιση αυτού του πολύπλοκου προβλήματος θα πρέπει να αναληφθούν μέτρα που περιλαμβάνουν: ελαχιστοποίηση της εισροής ιζήματος μέσα στον ταμιευτήρα, μείωση της εναπόθεσης ιζήματος μέσα στον ταμιευτήρα, και απομάκρυνση του ιζήματος 114

115 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Επιπτώσεις από την κατασκευή του έργου: Οι εργασίες κατασκευής ενός υδροηλεκτρικού έργου οδηγούν σε μια σειρά από προσωρινές αλλά και μόνιμες επιπτώσεις. Η διάρκεια του έργου είναι συνήθως μεγαλύτερη των 2 χρόνων, φθάνει δε συνήθως στα 5 χρόνια. Οι επιπτώσεις δεν περιορίζονται στο φυσικό περιβάλλον, αλλά επεκτείνονται και στην πανίδα και τα αλιεύματα 115

116 Τέλος Ενότητας 116

117 Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Σκόδρας Γεώργιος. «Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: eclass.uowm.gr/courses/mech244/ 117

118 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Όχι Παράγωγα Έργα Μη Εμπορική Χρήση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] h t t p ://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό 118

119 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 119