Υ ΡΟ - ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Υ ΡΟ - ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Γενικά Ιστορικά 1. Η Υδρο-δυναµική Ενέργεια ( Υ.Ε.) δηµιουργείται από την επίδραση του Ηλίου στη φύση (εξάτµιση υδάτων). Εµµέσως είναι Ηλιακή Ενέργεια. Σχήµα 1: Υδρολογικός κύκλος - 1 -

Πριν παρουσιάσουµε την ιστορική εξέλιξη της τεχνολογίας αυτής, θεωρήθηκε σκόπιµο να δείξουµε εικόνες από διάφορα συστήµατα µαταροπής της Υ.Ε. σε Μηχανική και στη συνέχεια σε Ηλεκτρική. Με τους κατάλληλους αυτούς µετατροπείς, τις στροβιλο-µηχανές και στροβιλο-γεννήτριες, παράγεται ό,τι καλούµε υδροηλεκτρική ενέργεια. Στα ακόλουθα σχήµατα 2-7, φαίνονται διάφορες στροβιλο-µηχανές και στροβιλογεννήτριες διαφόρων τύπων, σε σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Rotor Stator Shaft Κινούµενο µέρος µηχανής, Σταθερό µέρος µηχανής, Άξονας που συνδέει το ρότορας ή αλλιώς στάτης. στρόβιλο µε το δροµέα. ροµέας. Σχήµα 2 Σχήµα 3 Σχήµα 4-2 -

Σχήµα 5 Σχήµα 6 Σχήµα 7 2. Η Υδροηλεκτρική Ενέργεια συµµετέχει κατά µεγάλο ποσοστό στην παγκόσµια παραγωγή ενέργειας και παίζει σηµαντικό αναπτυξιακό ρόλο σε περισσότερες από 30 χώρες. 3. Είναι µια πλήρως αναπτυγµένη τεχνολογία που παράγει Η.Ε. σε πολύ ανταγωνιστικές τιµές. 4. Εξελίχθηκε από τα αρχαία χρόνια ( µε τον ξύλινο τροχό που µετέτρεπε µε µικρό ποσοστό την Κ.Ε. του νερού σε Μ.Ε. για άρδευση, άλεση κλπ ) στις σηµερινές στροβιλο-γεννήτριες µε 1500 rpm που παράγουν Η.Ε. µε απόδοση που φθάνει ακόµα και το 90%. Το πότε ανακαλύφθηκε ο νερόµυλος δεν είναι εύκολο να προσδιορισθεί. Πάντως, πριν από 5000 χρόνια αναφέρονται περιπτώσεις συστηµάτων άρδευσης, όπως το σχήµα που φαίνεται παρακάτω και πολλοί ενθυµούµεθα από τα παιδικά µας χρόνια. - 3 -

Σχήµα 8: Είναι ο αρχαιότερος τύπος υδρόµυλου που βυθίζεται στο ποτάµι και ο τροχός του περιστρέφεται ανασηκώνοντας νερό για άδρευση µε τη βοήθεια µιας αλυσίδας που έχει κούπες στην περίµετρό της. Σχήµα 9: Ένας νέου τύπου σχεδιασµού στροβίλου µπορεί να θεωρηθεί αυτός που δείχνει το διπλανό σχήµα και που ο απαγωγός εξόδου του νερού έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. (πηγή:http://www1.eere.energy.gov/windan dhydro/hydro_rd.html) - 4 -

Το Υ.Ε. στο Galloway (1935) της Σκωτίας, (ενώ το Υ.Ε. του Γλαύκου ξεκίνησε το 1926), περιλαµβάνει 6 σταθµούς παραγωγής που ο έλεγχός και η διαχείρισή τους γίνεται ως ένα ολοκληρωµένο σύστηµα Η.Ε. Ήταν το πρώτο µεγάλο εργοστάσιο στην Μ.Β. και περιλαµβάνει 10 φράγµατα. Μάλιστα, λόγω των διαφορών στις συνθήκες ροής στα διάφορα εργοστάσια του µεγάλου αυτού Υ.Ε. χρησιµοποιούνται και διαφορετικές γεννήτριες. Σχήµα 10 : Το υδρο ηλεκτρικό εργοστάσιο Galloway Hydros Το επίπεδο της στάθµης του νερού στη βασική λίµνη µεταβάλλεται ετησίως κατά 12m. Όταν µάλιστα η ζήτηση ισχύος είναι µικρή, τότε το νερό µέσω σήραγγας επιστρέφει στο βασικό reservoir (Loch Doon). - 5 -

Η ροή ετησίως ανέρχεται σε 80* 10 6 m 3. Η υψοµετρική διαφορά της στάθµης του νερού καθ όλο το µήκος της ροής, µέχρι την εκβολή του νερού στη θάλασσα ανέρχεται σε 200 m. Εποµένως, η ετησίως προσφερόµενη ενέργεια ισούται µε: 80*10 6 m 3 * 10 3 kg*m -3 *g * 200 m = 160* 10 6 MJ, ή άνω των 40*10 6 kwh/ έτος Μηχανική Ισχύς του Ρεύµατος του νερού Ουσιώδη χαρακτηριστικά ενός Υδροηλεκτρικού Εργοστασίου είναι: 1. το µανοµετρικό ύψος ( Η ) σε m, και 2. η Παροχή, Q, σε m 3 /s] Η ισχύς P(kW) που µεταφέρεται από το ρεύµα του νερού είναι, περίπου, ίση µε: P (kw) =10 * Q * H (1) H ηλεκτρική ισχύς είναι κατά τι µικρότερη. Η µετατροπή της ενέργειας του ρεύµατος του νερού σε Ηλεκτρική Ενέργεια γίνεται µέσω στροβιλο-γεννητριών (σχήµατα 2-7) Το µανοµετρικό ύψος Η και η απαιτούµενη ισχύς Ρ είναι κρίσιµοι παράγοντες για τον προσδιορισµό του τύπου του στροβίλου που θα χρησιµοποιηθεί. Στρόβιλοι Κάθε στρόβιλος αποτελείται από µια σειρά καµπύλων πτερύγων που είναι σχεδιασµένες έτσι ώστε να εκτρέπουν το ρεύµα του νερού για να ληφθεί η µέγιστη ενέργεια. Οι πτέρυγες και το µηχανικό υπόβαθρό τους αποτελούν ό,τι καλούµε δροµέα. Το ρεύµα του νερού οδηγείται σ αυτόν είτε µέσα από κανάλια ή βάνες (σχήµα 11) ή διαφορετικά µέσω δέσµης (jet) νερού που προσπίπτει µε ορµή στις πτέρυγες (σχήµα 12). Σχήµα 11: Στροβιλογεννήτρια Francis - 6 -

Σχήµα 12 (πηγή: Open University Milton Keynes UK) Οι λεπτοµέρειες στη σχεδίαση του στροβίλου δηλ. οι πτέρυγες, η διεύθυνση της ροής του νερού, η σύζευξη µε τη γεννήτρια είναι αυτά που καθορίζουν το τύπο του στροβίλου που θα δούµε στη συνέχεια (περισσότερα στο Παράρτηµα 1). Η ταχύτητα του δροµέα σε σχέση µε το νερό που προσκρούει σ αυτόν είναι κρίσιµο µέγεθος για την απόδοση του στροβίλου (σχήµα 13). Επί παραδείγµατι, ο στρόβιλος τύπου προπέλας, λειτουργεί καλά όταν η ταχύτητα των άκρων των πτερυγίων είναι µεγαλύτερη από αυτή του νερού. Αντίθετα, ο στρόβιλος Francis (βλ. σχήµα 13) είναι αποδοτικός όταν οι δύο αυτές ταχύτητες είναι ίσες. Για την επιλογή του πλέον κατάλληλου στροβίλου, θα πρέπει να συζητηθούν τα ακόλουθα: 1. Η ταχύτητα του ρεύµατος του ύδατος. Εξαρτάται από το µανοµετρικό ύψος Η(m). 2. Η ταχύτητα των πτερυγίων. Εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής του δροµέα και συνεπώς σχετίζεται µε την επιθυµητή τιµή περιστροφής της γεννήτριας ( συνήθως 200-1500 rpm) 3. H ταχύτητα του άκρου των πτερυγίων. Εξαρτάται από τη διάµετρο του δροµέα, που µε τη σειρά της εξαρτάται από την απαιτούµενη ισχύ. Σχήµα 13: Τύπος στροβίλου Francis και προπέλα - 7 -

Γενικώς. Ο τύπος προπέλα προτιµάται για χαµηλά µανοµετρικά. Αντίθετα, για µεσαία ή υψηλά µανοµετρικά προτιµάται ο τύπος στροβίλου Francis. Στον Πίνακα 2 σε συνδυασµό µε τον Πίνακα 1, παρατηρούµε ότι στη θέση Glenlee, λόγω του υψηλού µανοµετρικού, η ταχύτητα του ρεύµατος του νερού είναι µεγάλη. Εποµένως, xχρειαζόµαστε υψηλότερη ταχύτητα πτερυγίων και τούτο το επιτυγχάνουµε χρησιµοποιώντας στρόβιλο Francis µε υψηλότερη τιµή σε rpm. Πίνακας 1:The Galloway power stations Πίνακας 2 Power station Turbine Turbine Rate of rotation Rating type (rpm) (MW) Drumjohn 2 Propeller 300 Kendon 12 Francis 250 Carfad 6 Propeller 214.3 Earlstoun 7 Propeller 214.3 Glenlee 12 Francis 428.6 Tongland 11 Francis 214.3 Η Ενεργειακή Πηγή της Υ.Ε. Σχεδόν το ¼ της Ηλιακής ενέργειας αναλίσκεται στην εξάτµιση των υδάτων. Οι υδρατµοί αντιπροσωπεύουν ένα τεράστιο µέγεθος ανανεώσιµης ενέργειας. Σε παγκόσµια κλίµακα η βροχόπτωση φθάνει ετησίως τα 10 17 kg, ενώ το µέσο ύψος µεταξύ ξηράς και θάλασσας είναι 800 m. Συνεπώς, ετησίως αποθηκεύεται δυναµική ενέργεια περί τα 8*10 20 J ή περίπου 20,000 TWh/έτος, που είναι περίπου διπλάσια της παγκοσµίως ζητούµενης ενέργειας. Παράδειγµα Να προσδιορισθεί η ροή που απαιτείται για ένα Υ.Ε. ισχύος 5 GW, εάν το µανοµετρικό ύψος είναι 100 m και η απόδοση του εργοστασίου 83%. Λύση - 8 -

5.000.000 kw= 10* 0.83* Q*H = = 10*0.83* 100 m *Q Q= 6000 m 3 /s ηλαδή, µιλάµε για ένα ποταµό σαν τους καταρράκτες του Νιαγάρα. Εάν, τώρα, θεωρήσουµε ότι το Υ.Ε. είναι µόνο 1.7 kw ( οµιλούµε δηλ. για ένα µικρό ρεύµα νερού σε µια ορεινή περιοχή), τότε προκύπτει σύµφωνα µε την ανωτέρω σχέση, παροχή Q ίση µε 2 l/s ( µόνον). Παγκοσµίως, η εγκατεστηµένη ισχύς Υ.Ε. είναι 700 GW περίπου, αν και είναι δύσκολο να υπολογίσει κανείς µε ακρίβεια, καθώς αρχίζουν πλέον να λειτουργούν πολλά µικρά αλλά σύγχρονα Υ.Ε. (βλ. Παράρτηµα 2) Τα εργοστάσια αυτά παράγουν 2500 TWh. Τούτο σηµαίνει ότι κατά µ.ο. λειτουργεί στα 2/5 της ονοµαστικής τιµής, ή ότι ο load factor είναι 40%. Πάντως, το 2500 TWh αποτελεί το 10% της τεχνικά εκµεταλλεύσιµης Υδροηλεκτρικής Ενέργειας. Εξελικτική πορεία Τύπων Τροχών Ιστορικά µέχρι και τον 18 ο αιώνα εµφανίστηκαν διάφοροι τύποι τροχών που κινούνταν µε την κινητική ενέργεια του νερού, όπως δείχνουν τα σχήµατα Σχήµα 14: Τροχός κατακόρυφου άξονα που ο τύπος του χρησιµοποιείται ακόµα για να παρέχει µηχανική δύναµη σε ορεινές περιοχές. - 9 - Σχήµα 15: Ρωµαϊκός υδρόµυλος. Αυτός ο µύλος για σιτάρι είχε περιγραφεί από τον Vitruvius τον πρώτο τον πρώτο αιώνα π.χ. Χαρακτηριστικό είναι η χρήση γραναζιών. (πηγή: Open University Milton Keynes UK)

Σχήµα 16: η εικόνα αυτή προέρχεται από ένα βιβλίο µε έξυπνες µηχανές γραµµένο από τον al-jahazi στη Μεσοποταµία το 12 ο αιώνα π.χ. Κατά το τέλος του 18 ου αιώνα διακρίνουµε 3 τύπους τροχών: Σχήµα 17: Τύποι τροχών (πηγή: Open University Milton Keynes UK) Μάλιστα, οι 2 από αυτούς παρέµειναν αµετάβλητοι εδώ και 1000 χρόνια. - 10 -

Οι τροχοί κατακόρυφου άξονα επέζησαν αλλά έπαιξαν µικρό ρόλο στην βιοµηχανική ανάπτυξη. Η κατάσταση βέβαια αυτή άλλαξε αργότερα καθώς έχουµε και ανάπτυξη τροχών κατακόρυφου άξονα. Υ.Ε. τον 19 ο Αιώνα Στις αρχές του 1800 µε την εµφάνιση του ατµού-ατµοµηχανών, η Υ.Ε. παρέµεινε υπό αµφισβήτηση, ως προς τις επιδόσεις της και παραµερίσθηκε. Ωστόσο, ένα αιώνα αργότερα τα πράγµατα και πάλι άλλαξαν. Το ¼ της παγκόσµιας Η.Ε. προήρχετο από το νερό ( Υδρο-ενέργεια) µε σοβαρή ανάπτυξη στα µέσα του 19 ου αιώνα, καθώς το 1832 ο Faraday ανεκάλυψε την ηλεκτροµαγνητική επαγωγή. Τότε ήταν που ο Benoit Fourneyron σχεδίασε τον πρώτο νέου τύπου υδροστρόβιλο. Η µηχανή του Fourneyron έχει περιλάβει νέα στοιχεία και είναι κατακόρυφου άξονα. Η καινοτοµία συνίσταται στις (ακίνητες) βάνες που διοχετεύοντας ρεύµα ύδατος µέσω κεντρικού άξονα που εκτρέπεται προς τα πτερύγια και εξέρχεται πλαγίως (οριζοντίως), µεταδίδοντας ενέργεια στο σύστηµα, µε την µεταβολή της ορµής του. Το σύστηµα του στροβίλου είναι βυθισµένο στο νερό. Αυτό συνεπάγεται και οµαλή ροή του νερού στα πτερύγια, που συντελεί στην επίτευξη µεγαλύτερης τελικής απόδοσης. Ο έλεγχος γίνεται µε τη µετακίνηση άνω ή κάτω ενός δακτυλίου σε σχέση µε τις βάνες και τα πτερύγια. Η απόδοση της µετατροπής Υ.Ε. σε Μ.Ε. του Fourneyron ήταν 80%. Η ανάπτυξη τέτοιων µηχανών (υδρο-στροβίλων) συνεχίσθηκε µε τον Αµερικανό James Francis, που η µηχανή του διαφέρει αυτής του Fourneyron, γιατί η ροή ήταν µεν ακτινική, αλλά προς το κέντρο, βλ. σχήµα 13 Το 1881 στο Surrey ανηγέρθη το πρώτο δηµόσιο εργοστάσιο παραγωγής Η.Ε. από Υ.Ε.. Την τελευταία 10-ετία του 19 ου αιώνα η ανάπτυξη ήταν εξαιρετικά µεγάλη από µερικά kw σε MW, ενώ το 1891 η Η.Ε. από το Υ.Ε. µεταφερόταν σ απόσταση 150 km. Τύποι Εγκαταστάσεων Υ.Ε. ( 100 kw - 10,000 MW ) Τις Υδροηλεκτρικές Εγκαταστάσεις τις διακρίνουµε σύµφωνα µε: α. το µανοµετρικό ύψος β. την ισχύ εξόδου (ονοµαστική ισχύς) γ. τον τύπο του υδροστροβίλου δ. την τοποθεσία και τον τύπο του φράγµατος, ή του «ρεζερβουάρ» νερού. Τα σχήµατα στη συνέχεια δείχνουν εγκαταστάσεις Υδροηλεκτρικών Εργοστασίων µε λεπτοµέρειες του σχεδιασµού τους. - 11 -

Σχήµα 18 Σχήµα 19-12 -

Σχήµα 20 Σχήµα 21-13 -

Σχήµα 22 Οι κατηγορίες αυτές δεν είναι ανεξάρτητες µεταξύ τους. Πάντως το µανοµετρικό ύψος είναι ένας παράγων που καθορίζει τους υπόλοιπους. Ειδικότερα βλέπουµε στο εκπαιδευτικό cd της ΕΗ. Μικρά, Μεσσαία και Υψηλά Μανοµετρικά ύο Υ.Ε. µε την ίδια ονοµαστική ισχύ µπορεί να είναι εντελώς διαφορετικά. Παράδειγµα: το πρώτο να χρησιµοποιεί υψηλό µανοµετρικό (σε ορεινές περιοχές) µε µικρή παροχή νερού και το άλλο να χρησιµοποιηθεί για µεγάλη παροχή νερού από ένα ποτάµι που ρέει µε χαµηλή ταχύτητα (µικρό µανοµετρικό). Τα εργοστάσια αυτά κατηγοριοποιούνται ως προς την πίεση που εφαρµόζεται στα πτερύγια του στροβίλου. Υψηλή πίεση > 100 m Χαµηλή πίεση < 10 m Οι τρεις αυτοί τύποι διακρίνονται στο σχήµα που φαίνεται παρακάτω: - 14 -

Το πρώτο σχήµα (α) δείχνει φράγµα µικρού ύψους που διατηρεί ένα µικρό ύψος στάθµης νερού αλλά κυρίως διατηρεί την παροχή σχετικά αµετάβλητη (κατά τη διάρκεια του έτους). Μπορεί να περιλαµβάνει µικρές λίµνες ή εγκαταστάσεις ελλιµενισµού µικρών πλοιαρίων ή ιχθυοτροφεία ή βιότοπο ή και χώρους περιπάτου (βλ. cd ΕΗ και projects από χρηµατοδοτηθέντα από την Ε.Ε.(πρόγραµµα Joule)) Το δεύτερο σχήµα (b) δείχνει Υδροηλεκτρικό εργοστάσιο Μεσαίου Μανοµετρικού Το σχήµα ( c ) δείχνει Υδροηλεκτρικό Εργοστάσιο µεγάλου µανοµετρικού Σχήµα 23 Συγχρόνως το ίδιο το εργοστάσιο (υποσταθµός) (βλ.σχήµα 23 α ) είναι εγκατεστηµένο στον ίδιο χώρο. - 15 -

Το Υ.Ε. αυτού του τύπου χρησιµοποιεί υδροστρόβιλο κατακόρυφου άξονα. Ωστόσο και οι άλλοι τύποι στρόβιλου είναι πλέον κοινοί, στα µικρά µανοµετρικά. Σε Υ.Ε µε µικρό µανοµετρικό και µεγάλη παροχή νερού ο εξοπλισµός και τα έργα υποδοµής είναι πολύ µεγάλης κλίµακας, γεγονός που καθιστά τις εγκαταστάσεις δαπανηρές, εκτός εάν το Υ.Ε. εξυπηρετεί και την αποφυγή από πληµµύρες ή και την άρδευση. Το σχήµα 23(b) ανωτέρω και το σχήµα 24 (Hoover Dam, 220m ύψος) δείχνει µεγάλα τυπικά Υ.Ε. υψηλής πίεσης, µε φράγµα σε ένα στενό µέρος µιας κοιλάδας. Σχήµα 24: Υδροηλεκτρικό εργοστάσιο του Hoover Dam µε 220m µανοµετρικό Το ρεζερβουάρ πάνω από το φράγµα είναι σχεδιασµένο έτσι ώστε να αποθηκεύει µεγάλες υδάτινες ποσότητες για εποχές πιθανής ξηρασίας. Ένα ακόµη τυπικό Υ.Ε. είναι στις Η.Π.Α το Grand Cooley που φαίνεται στο σχήµα 25 και µε λεπτοµέρειες του φράγµατος και των εγκαταστάσεων στα σχήµατα 26, 27, 28 : - 16 -

Σχήµα 25: Υδροηλεκτρικό Εργοστάσιο Grand Cooley στις Η.Π.Α. Σχήµα 26-17 -

Σχήµα 27 Σχήµα 28-18 -

Στα Υ.Ε. µεγάλου µανοµετρικού, η παροχή νερού είναι µικρότερη από αυτή του µικρού. Συνήθως, στρόβιλοι, γεννήτριες, εγκαταστάσεις είναι µικρότερου όγκου. Ωστόσο, το κανάλι του νερού αυξάνει το κόστος εγκατάστασης. Το πρόβληµα είναι κυρίως στην µεγάλη πίεση που ασκείται στην όλη εγκατάσταση π.χ. 100 atm σε µανοµετρικό 1000m. Εκτίµηση της Ισχύος του Υδρο-δυναµικού πεδίου. Απαντούνται αξιόπιστα δεδοµένα του υδροδυναµικού πεδίου βασισµένα σε συνεχείς µετρήσεις. Οι µεταβολές είναι όχι µόνο κατά την διάρκεια του έτους αλλά και µεταξύ των ετών και µακροχρόνιες. Ειδική µέριµνα θα πρέπει να ληφθεί στη σχεδίαση του όγκου του reservoir. Ακόµα, να προβλεφθεί, και η αντοχή της Υδροηλεκτρικής Εγκατάστασης σε περιπτώσεις καταρρακτωδών βροχών. Εποµένως και οι δύο ακραίες περιπτώσεις (ξηρασία πληµµύρα) θα πρέπει να εξετασθούν ώστε στη δεύτερη, η Υδροηλεκτρικής Εγκατάστασης να αντέξει στις µεγάλες πιέσεις. Μέτρηση του υδρολογικού δυναµικού π.χ. µέτρηση ταχύτητας του νερού σε όλη την έκταση και το βάθος του ποταµού σε διάφορες τοποθεσίες του. Ακόµα, θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν η εξάτµιση του νερού, η διαρροή που πιθανόν να συµβαίνει και όλα αυτά µπορεί να φθάνει τα ¾ της υδατοπτώσεως. Ο στρόβιλος Francis Οι σύγχρονοι υδρο-στρόβιλοι έχουν διάφορα σχήµατα. ιαφέρουν προφανώς και ως προς το µέγεθος. Από διάµετρο 1/3 m µέχρι και 5-6 m Μερικοί τύποι πτερυγίων φαίνονται στο παρακάτω σχήµα: Σχήµα 29-19 -

Είναι ανάγκη να συζητηθεί το πώς λειτουργούν, ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την απόδοσή τους αλλά και ποιες είναι οι βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας τους. Ο πλέον κοινός τύπος είναι ο στρόβιλος Francis που χρησιµοποιείται για πιέσεις από 2 m µέχρι και 200 m. Τα πτερύγιά του φαίνονται παρακάτω: Σχήµα 30 :Francis Το νερό εισέρχεται αρχικά δια µέσου σειράς από βάνες (ακίνητες ή και δυνατό να στρέφεται) ώστε το ρεύµα του νερού να πέφτει στα πτερύγια υπό κατάλληλη διεύθυνση (βλ. σχήµα 31), τα οποία και περιστρέφονται. Σχήµα 31-20 -

Σχήµα 32 Η αρχή είναι η ίδια µε τον στρόβιλο του Fourneyron. Μεγιστοποίηση της απόδοσης. Απώλειες είναι φυσικό να υφίστανται λόγω τριβών στα κινούµενα µέρη της στροβιλογεννήτριας. Ακόµη απώλεια ενέργειας υφίσταται κατά τη ροή του ρεύµατος του νερού µέσα από τις σωληνώσεις και τις βάνες. Είναι και αυτό είδος τριβής και µάλιστα αναπόφευκτο. Βέβαια µια καλή σχεδίαση µπορεί να ελαττώσει όλες αυτές τις τριβές. Επίσης, το νερό τελικά θα πρέπει να έχει και κάποια κινητική ενέργεια για να εξέλθει του χώρου της Υ.Ε. Για να επιτύχουµε την έξοδο του νερού από το υδροηλεκτρικό εργοστάσιο µε πολύ µικρή έως µηδενική ταχύτητα η σχεδίαση περιλαµβάνει σωληνωτή απορροή αυξανόµενης διαµέτρου προς την έξοδο ώστε το νερό να επιβραδύνεται και η πίεση στην έξοδο να είναι µεγάλη (αλλά είναι ατµοσφαιρική). Συνέπεια αυτού είναι ότι το νερό στο χώρο κάτω από τον υδροστρόβιλο βρίσκεται υπό πίεση χαµηλή από 1 atm µε συνέπεια να είναι δυνατός ο βρασµός µε συνέπεια τη διάβρωση των πτερυγίων και το φαινόµενο της σπηλαίωσης. Η απόδοση των υδρο-στροβίλων σήµερα φθάνει και το 95% µε φροντίδα να επιτυγχάνουµε τη σωστή ταχύτητα του νερού ως προς τα πτερύγια και υπό σωστή διεύθυνση. Ωστόσο, υπάρχει ένα ακόµα σοβαρό πρόβληµα: έστω ότι η ζήτηση µειώνεται. Τότε η ισχύς εξόδου πρέπει να µειωθεί ελαττώνοντας την παροχή του νερού (στον στρόβιλο Francis αυτό επιτυγχάνεται µε στροφή των βανών). Για να διατηρηθεί σταθερή η συχνότητα, ο αριθµός rpm της γεννήτριας πρέπει να παραµένει ο ίδιος για όποια τιµή της Ισχύος στην έξοδο. - 21 -

Ωστόσο, µια σταθερή ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων για µικρότερη ταχύτητα του νερού, συνεπάγεται αλλαγή της γωνίας υπό την οποία το νερό διοχετεύεται από τις βάνες στα πτερύγια. Τούτο το γεγονός µε τη σειρά του συνεπάγεται µείωση της απόδοσης και τούτο είναι χαρακτηριστικό αυτού του τύπου Στροβίλου. Στην ιδεατή περίπτωση η γωνία των πτερυγίων θα πρέπει να αλλάζει, αλλά δεν είναι πρακτικό για τους ακτινικού τύπου στροβίλους. Αντίθετα, κάποιοι στρόβιλοι τύπου προπέλας, επιτρέπουν την διευθέτηση αυτή και τη λύση στο ζητούµενο. Περιορισµοί στον Στρόβιλο Francis Η επιλογή του Στρόβιλου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, µεταξύ των οποίων σηµαντικός είναι το µανοµετρικό ύψος Η. Εάν η πίεση είναι χαµηλή, τότε απαιτείται µεγάλη ποσότητα ροής για δεδοµένη ισχύ. Βέβαια, µικρή πίεση, συνεπάγεται µικρή ταχύτητα του ρεύµατος του νερού. Για να αντιµετωπιστεί το πρόβληµα απαιτείται µεγάλη επιφάνεια. Προσπάθειες για αύξηση της επιφάνειας και προσαρµογή των πτερυγίων στην ταχύτητα ροής, µε σύγχρονη εκτροπή µεγάλης ποσότητας του νερού σε ένα σωλήνα απορροής οδήγησε σε στροβίλους µεγάλης επιφάνειας και σε πτερύγια περιστρεφόµενα. Όλη αυτή η προσπάθεια έδωσε τη µορφή των στροβίλων τύπου προπέλας µέσα σε ένα σωλήνα. Τελικά, πρέπει να τονισθεί ότι ο τύπος Francis είναι αυτός που χρησιµοποιείται σε µεγάλα µανοµετρικά. Τα πολύ µεγάλα µανοµετρικά δηµιουργούν επίσης προβλήµατα, καθώς η ταχύτητα του νερού είναι µεγάλη. Βέβαια, ο στρόβιλος Francis είναι πολύ αποδοτικός, όταν στα πτερύγια κινούνται τόσο γρήγορα όσο και το νερό. Αλλά µεγάλη τιµή σε rpm δεν είναι επιθυµητή και έτσι ένας άλλος τύπος στροβίλου ο του Pelton εµφανίζεται ως πλέον ικανοποιητικός στην περίπτωση αυτή. Ο στρόβιλος Pelton εµφανίζεται στην παρακάτω εικόνα: Στρόβιλοι τύπου Προπέλας και Kaplan Αποδοτικοί για µεγάλη ροή και µικρό µανοµετρικό. Ο τύπος αυτός είναι αξονικής ροής και όχι ακτινικής όπως ο του Francis. Στον τύπο αυτό, που δείχνει τα σχήµατα 33,34,35, η επιφάνεια που εισέρχεται στο νερό (από χαµηλό µανοµετρικό) είναι όσο µεγάλη µπορεί να γίνει. Είναι η επιφάνεια «σάρωσης» των πτερυγίων. - 22 -

Σχήµα 33 : πλάγια όψη πτερυγίων στροβίλου τύπου προπέλας (πηγή: Open University Milton Keynes UK) Σχήµα 34 : απεικόνιση ενός στροβίλου τύπου προπέλας (πηγή: Open University Milton Keynes UK) Σχήµα 35 : Επιφάνεια σάρωσης των πτερυγίων σε ένα στρόβιλο τύπου προπέλας (πηγή: Open University Milton Keynes UK) Οι στρόβιλοι Kaplan έχουν το πλεονέκτηµα έναντι των ακτινικών ότι είναι πολύ πιο εύκολο τεχνικά να µεταβάλλουµε τη γωνία των πτερυγίων όταν αλλάζει η ζήτηση Ισχύος (το ίδιο ισχύει και στις ανεµογεννήτριες). Συνεπώς, η απόδοση τους παραµένει υψηλή έστω και µε µεταβαλλόµενη ισχύ. - 23 -

Το νερό καθώς εισέρχεται περιστρέφεται. Το χαρακτηριστικό είναι ότι η ταχύτητα του πτερυγίου είναι µεγαλύτερη αυτής του νερού, περίπου διπλάσια. Παρατήρηση: Τα ακραία σηµεία των πτερυγίων κινούνται ταχύτερα από τα κεντρικά δηλ. τα πλησίον του άξονα, ενώ το στροβιλιζόµενο νερό κινείται ταχύτερα στα κεντρικά σηµεία. Συνεπώς, η γωνία των πτερυγίων πρέπει να αυξάνει καθώς κινούµεθα προς το εξωτερικό των πτερυγίων. Αυτός είναι ο λόγος που τα πτερύγια είναι καµπυλωµένα προς τα έξω. Στην περίπτωση τύπου αξονικού στροβίλου το νερό δε χρειάζεται τους ειδικούς οδηγούς βάνες. Βέβαια καθώς η ροή είναι αξονική ως προς τον στρόβιλο, το πρόβληµα είναι να µη περνά νερό και στον άξονα της γεννήτριας. Ειδική µέριµνα έχει ληφθεί για το πρόβληµα αυτό. Στρόβιλοι ώθησης Pelton Για µανοµετρικά ύψη µεγαλύτερα των 250m (αλλά και πολύ µικρότερα για µικρής κλίµακας Υδροηλεκτρικά Εργοστάσια) προτιµάται ο τροχός Pelton που σχεδιάστηκε από τον Lester Pelton το 1880. Είναι µάλιστα εντελώς διαφορετικός από τους δύο προηγούµενους τύπους. Κατά µήκος της περιφέρειάς του φέρει συνδεδεµένα ζευγάρια από κούπες ή κουτάλες όπως δείχνει το σχήµα 36: Σχήµα 36 : Απεικόνιση ενός στροβίλου Pelton µε δύο jets και οριζόντιου άξονα. Το µανοµετρικό ύψος είναι 415m σε αυτό το Υδροηλεκτρικό έργο και η γεννήτρια είναι 30MW. Παράγει ετησίως 64.000.000kWh (πηγή: Open University Milton Keynes UK) Στρέφεται καθώς ένα jet νερού υψηλής ταχύτητας προσπίπτει µε ορµή στις κούπες µε τη σειρά. Το νερό διαχωρίζεται και περνά µέσα από τις κούπες και φεύγει εκτός, εφαπτοµενικά όπως δείχνει το σχήµα 37 παρακάτω: - 24 -

Σχήµα 37: Το σχήµα (α) δείχνει τη ροή της δέσµης και περιγράφει την ταχύτητα µε παρατηρητή που βρίσκεται στην κινούµενη κούπα. Το σχήµα (b) αναλύει το ίδιο φαινόµενο αλλά µε παρατηρητή εξωτερικό. Με βάση την ανάλυση αυτή εύκολα µπορεί να αποδείξει κανείς ότι η βέλτιστη ταχύτητα που έχει ο τροχός θα πρέπει να είναι η µισή της ταχύτητας της δέσµης του νερού. Κάτω από ειδικές συνθήκες προσδίδει στον τροχό όλη του την Κινητική Ενέργεια. Επειδή η ενέργεια αποδίδεται µε τη σειρά της στις κούπες υπό µορφή συντόµων ωθήσεων για το λόγο αυτό ο τροχός Pelton καλείται και τροχός ώθησης. Μια διαφορά του τροχού Pelton και Francis είναι ότι ενώ ο Francis λειτουργεί πλήρως βυθισµένος και µε διαφορά πίεσης κατά µήκος του δροµέα ο στρόβιλος Pelton λειτουργεί στον αέρα υπό ατµοσφαιρικές συνθήκες. Η ισχύς που δίνεται στο τροχό Pelton υπολογίζεται από το µανοµετρικό ύψος Η. Εάν το ρεύµα του νερού έχει διατοµή Α m 2, τότε η παροχή Q m 3 / s δίνεται από τη σχέση : Q = A 2 gh A 20H (2) Σύµφωνα µε το πρόβληµα η Ισχύς εισόδου στον Pelton, σε kw, ισούται µε : P ( kw ) = 10A 2gH H (3) ή κατά προσέγγιση 3 P ( kw ) = 45A H (4) Εάν οι γειτονικές κούπες δεν πρέπει να εµπλέκονται µε το ρεύµα του νερού, τότε η διάµετρος του τροχού Pelton πρέπει να είναι περίπου 10 φορές ίση µε τη διάµετρο του jet του νερού. Στην πράξη οι τροχοί Pelton έχουν 2 ή ακόµα και 4 jets νερού για να αυξάνουν την ισχύ τους χωρίς να αυξάνουν το κόστος και το µέγεθος του τροχού. Τότε, εάν ο αριθµός των jets είναι j, η ισχύς P(kW) δίνεται από τη σχέση 3 P ( kw ) = j45a H (5) - 25 -

Η απόδοση του τροχού Pelton γίνεται µέγιστη όταν η ταχύτητα της κούπας είναι το µισό της ταχύτητας του jet του νερού. Συνεπώς, για κάθε Η (µανοµετρικό ύψος) αλλά και διάµετρο του τροχού Pelton, υπάρχει και η βέλτιστη ταχύτητα περιστροφής. Η ισχύς µπορεί να µεταβάλλεται για να ικανοποιείται η ζήτηση µε αλλαγή του µεγέθους του jet του νερού, ώστε να αλλάζει η παροχή. Παράδειγµα: Τροχός Pelton µε δύο jets νερού τοποθετείται Υ.Ε. που διοχετεύει µε αγωγό νερό από 415 m. Ο τροχός θα πρέπει να περιστρέφεται µε 300rpm. Αν οι απώλειες στο µανοµετρικό είναι 10m, λόγω τριβών, και η απόδοση του Pelton είναι 90%. Να υπολογισθεί η ταχύτητα στο jet, η διατοµή του jet, του νερού και η διάµετρος του τροχού ώστε η έξοδος να είναι 12.5 MW. Λύση: Το κάθετο µανοµετρικό είναι 415m- 10m= 405m. Η ταχύτητα του νερού που προσπίπτει στον Pelton ισούται µε 2 2 u = 20H = 20 405m / s = 90m / s Η ισχύς εξόδου είναι 12,5 MW, η απόδοση του Pelton 50% και εποµένως η ισχύς εισόδου 12,5 / 0,5=14 MW = 14000kW. Σύµφωνα µε τα προηγούµενα P ( kw ) A 3 3 = j45a H = 2 45 405 => Α=190cm 2 Αν το jet είναι κανονικής διατοµής τούτο συνεπάγεται διάµετρο 15 cm. Η βέλτιστη ταχύτητα της κούπας θα είναι λίγο µικρότερη του 90 m m = 45 2 s s Κάθε κούπα κάνει 300 περιστροφές/ min ή 5 στροφές/ sec. Εποµένως, ισχύει υ= 2πR n => 45 D = = 2. 9m 3.14 5-26 -

Στρόβιλοι Turgo και Σταυρωτής Ροής Μια παραλλαγή του τροχού Pelton είναι ο στρόβιλος Turgo (βλ. σχήµα 38) που σχεδιάστηκε το 1920. Οι διπλές κούπες αντικαταστάθηκαν από µονές και πιο ρηχές, µε το νερό να εισέρχεται από τη µία πλευρά και να εξέρχεται από την άλλη. Σχήµα 38 Το νερό πέφτει υπό µορφή jet, κατά σειρά στις κούπες και µοιάζει µε του Pelton τον τροχό. Στη βέλτιστη ταχύτητα περιστροφής είναι το µισό της ταχύτητας του νερού του jet. Εντούτοις η ικανότητα του να διαχειρίζεται µεγαλύτερες ποσότητες νερού σε σύγκριση µε τον Pelton, της ίδιας διαµέτρου, του προσδίδει ένα πλεονέκτηµα για Υ.Ε. µε µικρά µανοµετρικά. Ο στρόβιλος σταυρωτής ροής (Mitchell Banki ή Ossberger στρόβιλος) όπως φαίνεται στο σχήµα 29 είναι στρόβιλος ώθησης. Το νερό εισέρχεται υπό µορφή λεπτής επίπεδης επιφάνειας και όχι ως κυλινδρικό jet νερού. Ο στρόβιλος αυτού τύπου είναι τεχνικά ευκολότερος και χρησιµοποιείται αντί του στροβίλου Francis σε Υ.Ε. µικρής κλίµακας < 100 kw. Συµπεράσµατα: 1. Έχουµε εξηγήσει ότι γενικά ο στρόβιλος Pelton χρησιµοποιείται κυρίως σε µεγάλα µανοµετρικά, ο στρόβιλος τύπου προπέλας σε µικρά και του Francis στα ενδιάµεσα. Αλλά το µανοµετρικό δεν είναι ο µόνος παράγοντας για τον προσδιορισµό του στροβίλου σε ένα Τ.Ε. 2. Ένας άλλος παράγοντας είναι η διαθέσιµη ισχύς του νερού. 3. Η παράµετρος που συνήθως χρησιµοποιείται για την επιλογή του στροβίλου είναι η ειδική ταχύτητα (N s ) που σχετίζεται µε την ισχύ εξόδου P εξ - 27 -

(kw), το µανοµετρικό ύψος H( m) και τα τον αριθµό περιστροφών ανά min (n, rpm). Για τα ανωτέρω µεγέθη ισχύει η σχέση: P = n (6) H H N s 2 Η σχέση αυτή χρησιµοποιείται για την επιλογή του βέλτιστου τύπου στροβίλου για µια τοποθεσία. Από την τοπολογία του εδάφους εκτιµούµε το Η και τη διαθέσιµη ισχύ P. Οι δυνατές τιµές για την ταχύτητα περιστροφής n περιορίζονται από την απαίτηση η ηλεκτρογεννήτρια που συνδέεται στο δίκτυο να στρέφεται µε ταχύτητα κατάλληλη για την συχνότητα του δικτύου. Με τον προσδιορισµό του Ν s και του Πίνακα 3 µπορούµε να προσδιορίσουµε τον τύπο του στροβίλου Ο συνδυασµός P, H και n µπορεί να αποδειχθεί ότι σχετίζεται µε τα χαρακτηριστικά του στροβίλου µε τη σχέση: r U Β N = s 500 (7) R VW r R = D d = ιάµετρος του jet / ιάµετρος του τροχού U Β V W = ταχύτητα του πτερυγίου / ταχύτητα του νερού Οι λόγοι αυτοί, όπως έχουµε δει, χαρακτηρίζουν και τα είδη των τροχών. Πίνακας 3: Ειδικές ταχύτητες Types of turbine Specific speed range Francis 70-500 Propeller 600-900 Kaplan 350-1000 Pelton, 1-jet 10-35 Pelton, 2-jet 10-45 Turgo 20-80 Cross-flow 20-90 - 28 -

Σχήµα 39: Το παραπάνω διάγραµµα δείχνει τις διάφορες περιοχές εφαρµογής των διαφορετικών τύπων στροβίλου - 29 -