ΥδροδυναµικέςΜηχανές ιαµόρφωση Υδροηλεκτρικών Έργων Εργαστήριο Αιολικής Ενέργειας Τ.Ε.Ι. Κρήτης ηµήτρης Αλ. Κατσαπρακάκης
Αρχέςαξιοποίησηςυδραυλικής ενέργειας Ένα Υδροηλεκτρικό Έργο (ΥΗΕ) είναι ένα σύνθετο έργο που περιλαµβάνεισηµαντικάέργαπολιτικούκαιµηχανολόγου / ηλεκτρολόγου µηχανικού. Βασικός σκοπός των έργων πολιτικού µηχανικού είναι: η συγκέντρωση της επιφανειακής ροής η οδήγησή της µέσω του υδροστροβίλου η απαγωγή της µετά τον Υδροηλεκτρικό Σταθµό (ΥΗΣ) και η διοχέτευσή της στη φυσική κοίτη του ποταµού προς χαµηλότερες στάθµες η στέγαση του ηλεκτροµηχανολογικού εξοπλισµού ηεξασφάλισητηςασφάλειαςτουυηε, τόσοκατάτηφάση κατασκευής, όσο και κατά τη φάση λειτουργίας.
Αρχέςαξιοποίησηςυδραυλικής ενέργειας Τα έργα µηχανολόγου / ηλεκτρολόγου µηχανικού αφορούν: στη διαστασιολόγηση των µονάδων παραγωγής στην επιλογή εξοπλισµού στηµελέτηεγκατάστασηςτουηλεκτροµηχανολογικούεξοπλισµού, κυρίου και βοηθητικού, όπως οι υδροστρόβιλοι, οι γεννήτριες, οι µετασχηµατιστές, οι αυτοµατισµοί, οι ηλεκτρικοί πίνακες, πιθανές γερανογέφυρες κλπ.
Μηχανολογικήεγκατάσταση ΥΗΣ
Αρχέςαξιοποίησηςυδραυλικής ενέργειας Εάντονερόµίαςφυσικήςροήςσυλλεχθείσεµίαυψηλή στάθµη z E καιοδηγηθείσεµίαχαµηλότερηστάθµη z A, τότε είναι δυνατή η µετατροπή της ανά µονάδας µάζας του διερχόµενουνερούενέργειας g(z E -z A ) σεµηχανικήενέργεια, αφού αφαιρεθούν οι πάσης φύσεως απώλειες. Επειδή η παραγόµενη µηχανική ισχύς δεν είναι δυνατό να µεταφερθεί ικανοποιητικά από τον ΥΗΣ στον τόπο κατανάλωσης, µετατρέπεταιεπίτόπουσεηλεκτρικήενέργεια, µέσω γεννήτριας συζευγµένης απευθείας στην άτρακτο του υδροστροβίλου. Γιατολόγοαυτό, τοσύνολοτωνέργωνµέσωτωνοποίωνη αρχική υδραυλική ενέργεια µετατρέπεται αρχικά σε µηχανική και τελικά σε ηλεκτρική ονοµάζεται Υδροηλεκτρικό Έργο (ΥΗΕ).
Αρχέςαξιοποίησηςυδραυλικής Οριακό στρώµα ενέργειας Το σύνολο σχεδόν του ηλεκτροµηχανολογικού εξοπλισµού είναι εγκατεστηµένο στον Υδροηλεκτρικό Σταθµό (ΥΗΣ) Ο ΥΗΣ µπορεί να είναι υπέργειος (οικίσκος) ή υπόγειος. Η επιλογή αυτή είναι αποτέλεσµα οικονοµοτεχνικής µελέτης µε παραµέτρους τον τύπο του υδροστροβίλου, το διαθέσιµο µανοµετρικό και τη µορφολογία του εδάφους. ΣυνήθωςσεµικράΥΗΕοΥΗΣδενκατασκευάζεταιυπόγειος, καθώς τούτο ανεβάζει δυσανάλογα το κόστος του έργου.
Οριακό στρώµα ΥπόγειοιΥΗΣ
ΥπόγειοιΥΗΣ Οριακό στρώµα Υπόγειος ΥΗΣ στο Manapouri της Νέας Ζηλανδίας, ισχύος 85MW σε βάθος 15m από την επιφάνεια του εδάφους.
Οριακό στρώµα ΥπέργειοιΥΗΣ
Αρχέςαξιοποίησηςυδραυλικής Οριακό στρώµα ενέργειας ιακρίνονται δύο βασικές διαµορφώσεις ΥΗΕ, ανάλογα µε το διαθέσιµο µανοµετρικό: αυτάσταοποίαηδιαθέσιµηυδραυλικήπτώση g (z E -z A ) είναι υψηλή αυτά στα οποία η διαθέσιµη υδραυλική πτώση είναι χαµηλή (µικρότερη των 2m). Στην πρώτη περίπτωση ο ΥΗΣ διαµορφώνεται σε θέση διακριτή από αυτή των έργων συλλογής και προσαγωγής του νερού (φράγµα και υδροληψία). Στη δεύτερη περίπτωση ο ΥΗΣ ενσωµατώνεται στο φράγµα ή στο έργο υδροληψίας και αποτελεί ενιαίο συγκρότηµα µε αυτό.
ΥΗΕµεχαµηλή υδραυλικήπτώση Οριακό στρώµα
ΥΗΕµεχαµηλή υδραυλικήπτώση Οριακό στρώµα
ιαµόρφωσηυηεµευψηλή Οριακό στρώµα υδραυλικήπτώση Σε περίπτωση ΥΗΕ µε υψηλό µανοµετρικό, ο ΥΗΣ βρίσκεται πολύχαµηλάωςπροςτοφράγµακαιτηνυδροληψία. Το νερό οδηγείται στον ΥΗΣ µέσω της εκτροπής της παροχής µε τον αγωγό προσαγωγής ή πτώσεως. Έπειτα η παροχή οδηγείται στη φυσική κοίτη του ποταµού. Σε ένα ΥΗΕ, για οικονοµικούς λόγους, ο αγωγός προσαγωγής δύναται να µην ξεκινάει απευθείας από την υδροληψία, αλλά από µία δεξαµενή φόρτισης. Το νερό οδηγείται στη δεξαµενή φόρτισης µέσω µιας ανοιχτής διώρυγας προσαγωγής, µε κόστος κατασκευής στο 1/3 1/2 τουκόστουςτουαγωγού. Η κατασκευή διώρυγας δεν είναι πάντα δυνατή, για λόγους µορφολογίας του εδάφους.
ιαµόρφωσηυηεµευψηλή υδραυλικήπτώση Η θέση της δεξαµενής φόρτισης επιλέγεται να είναι η πλησιέστερη δυνατή στον ΥΗΣ. Οριακό στρώµα
Οριακό στρώµα ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Τα κύρια µέρη των έργων πολιτικού µηχανικού ενός ΥΗΕ είναι: Το φράγµα Σκοπός του φράγµατος είναι η δηµιουργία δεξαµενής, του ταµιευτήρα, στην οποία αποθηκεύεται ποσότητα νερού, προερχόµενη απότηφυσικήροήτουυδατορεύµατος. Μέσωτουαγωγούήτης διώρυγας προσαγωγής, το νερό οδηγείται στον ΥΗΣ. Με τη δηµιουργία ταµιευτήρα µεγάλης χωρητικότητας επιτυγχάνεται ευελιξία στη λειτουργία του έργου, δηλαδή η λειτουργία του ΥΗΕ ανεξαρτητοποιείται, κατά το δυνατό, από τη φυσική ροή του ποταµού. Από την άλλη, η κατασκευή µεγάλου ταµιευτήρα αυξάνει δραµατικά τοκόστοςτουυηε. Για το λόγο αυτό, στα µικρά ΥΗΕ κατασκευάζονται συνήθως µικροί ταµιευτήρες, όχι τόσο για να συµβάλουν στην ευελιξία της λειτουργίας του έργου, όσο για να εξασφαλίσουν οµαλές συνθήκες λειτουργίας (σταθερή παροχή, παρακράτηση φερτών) στον ΥΗΣ.
Οριακό στρώµα ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Το φράγµα κατασκευάζεται στην κοίτη του υδατορεύµατος λαµβάνοντας υπόψη: το διαµορφούµενο ταµιευτήρα (χωρητικότητα, κατακλιζόµενη επιφάνεια) την ευκολία κατασκευής του (επιδιώκεται µικρό ύψος, µικρό µήκος στέψης, ευκολία έδρασης) τη δηµιουργία µεγάλης υψοµετρικής διαφοράς µε κατά το δυνατό µικρό µήκος αγωγού προσαγωγής. Ο τύπος του φράγµατος που θα κατασκευαστεί καθορίζεται από τη φυσική διαµόρφωση της θέσης και τη διαθεσιµότητα υλικών.
Οριακό στρώµα ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Τα φράγµατα κατατάσσονται ανάλογα µε το υλικό κατασκευής τους (γαιώδη υλικά, λίθοι, σκυρόδεµα) και τον τρόπο µε τον οποίο παραλαµβάνουν τις δυνάµεις και τις ροπέςπουτονερόασκείσεαυτάσε: φράγµατα βαρύτητας, όπου το ίδιο το βάρος του φράγµατος εξασφαλίζει την παραλαβή των δυνάµεων ολίσθησης και ανατροπής τοξωτάφράγµατα, ταοποίαέχουντηµορφήκελύφους, κατασκευάζονται από οπλισµένο σκυρόδεµα και οι δυνάµεις του νερού παραλαµβάνονται από πλευρικά αντερείσµατα, κατάλληλης αντοχής. Στα φράγµατα βαρύτητας περιλαµβάνονται τα χωµάτινα φράγµατα, τα φράγµατα λιθοριππής, καθώς και φράγµατα µε επίπεδες ή τοξωτές πλάκες από σκυρόδεµα που µεταφέρουν τις δυνάµεις στο έδαφος µέσα από κατακόρυφες αντηρίδες.
ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Οι παράµετροι που καθορίζουν τον τύπο του φράγµατος που θα κατασκευαστεί είναι: το ύψος και το άνοιγµα του φράγµατος τοέδαφοςεπίτουοποίουθαγίνειηθεµελίωση (χώµαήβράχος) η διαθεσιµότητα εργατικού δυναµικού (εξειδικευµένου ή ανειδίκευτου) η διαθεσιµότητα τσιµέντου και χάλυβα η διαθεσιµότητα Οριακό διαπερατού ή αδιαπέραστου εδάφους η διαθεσιµότητα στρώµα του εξοπλισµού εκσκαφής και µεταφοράς υλικών. Ένα φράγµα βαρύτητας είναι πάντα φθηνότερο από ένα τοξωτό φράγµα, αρκεί να υπάρχει διαθεσιµότητα εξοπλισµού και υλικών. Ο υπερχειλιστής του φράγµατος κατασκευάζεται πάντα από σκυρόδεµα. Έτσισεπερίπτωσηφράγµατοςµικρούµήκους, ίσος είναι προτιµότερο η κατασκευή του εξ ολοκλήρου από σκυρόδεµα.
ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Τα τοξωτά φράγµατα κατασκευάζονται συνήθως σε στενές χαράδρες, στιςοποίεςπλευρικάυπάρχεισυµπαγήςβράχος, ικανός να φέρει τα αναπτυσσόµενα φορτία από το νερό στο φράγµα. Ένας εµπειρικός κανόνας επιλογής κατασκευής τοξωτού φράγµατοςείναιότανολόγοςτουµήκουςτηςστέψηςτου Οριακό φράγµατος στρώµα προς το ύψος του φράγµατος είναι µικρότερος του 5.
ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Οριακό στρώµα Χωµάτινο φράγµα Φανερωµένης Νοµού Ηρακλείου
ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Οριακό στρώµα Τοξωτό φράγµα λίµνης Πλαστήρα
ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Οριακό στρώµα Φράγµα βαρύτητας από σκυρόδεµα στο Μαραθώνα
ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Οριακό στρώµα Τοµή χωµάτινου φράγµατος Αγίου ηµητρίου Νοµού Αιτωλοακαρνανίας
ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Το φράγµα συνοδεύεται και από τα ακόλουθα έργα που εξυπηρετούν το έργο ή σχετίζονται µε την ασφάλειά του: ο εκχειλιστής ή υπερχειλιστής: σκοπό έχει τη διοχέτευση της πληµµυρικής παροχής, ώστε η στάθµη του αποθηκευµένου νερού στον ταµιευτήρα να µην ξεπεράσει τη στέψη του φράγµατος τα έργα ή η σήραγγα εκτροπής, µέσω των οποίων διοχετεύεται η φυσικήοριακό παροχή κατά τη διάρκεια κατασκευής της τελευταίας φάσης του φράγµατος στρώµα ο εκκενωτής πυθµένα, µέσω του οποίου εκκενώνεται ο ταµιευτήρας σε περίπτωση ανάγκης ή συντήρησης, ενώ επίσης από αυτόν διοχετεύεται η απαιτούµενη παροχή συντήρησης της κοίτης του ποταµού ηυδροληψία, πουείναιτοστόµιοεισόδουτουαγωγούήτης σήραγγας ή της διώρυγας προσαγωγής.
ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Οριακό στρώµα Υπερχειλιστής φράγµατος Ποταµών Ρεθύµνου
Οριακό στρώµα ΣυνιστώσεςενόςΥΗΕ Τα έργα υδροληψίας δύναται να περιλαµβάνουν: τοναγωγό, τησήραγγαήτηδιώρυγαπροσαγωγής, τη δεξαµενή φόρτισης, βάνες, θυροφράγµατα Ο ηλεκτροµηχανολογικός εξοπλισµός αποτελείται από υδροστροβίλους, τους ρυθµιστές στροφών, τι ηλεκτρογεννήτριες, τους µετασχηµατιστές, τους ηλεκτρικούς πίνακες, τους ασφαλειοαποζεύκτες, τους αυτοµατισµούς και το βοηθητικό εξοπλισµό (γερανογέφυρες κλπ).
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ ΣεέναΥΗΕηενέργειατουνερούανάµονάδαµάζαςτου είναι η δυναµική ενέργεια, η οποία ισούται µε τη διαθέσιµη υδραυλική πτώση: h = z E z A όπου z E ηστάθµητηςεπιφάνειαςτουνερούστονταµιευτήραήστη δεξαµενή φόρτισης, στην περίπτωση που τούτη υπάρχει Οριακό στρώµα z Α ηστάθµητουνερούκατάντιτουυησ, ότανηπαροχή οδηγείται στη φυσική κοίτη. Λόγω της µεγάλης επιφάνειας του ταµιευτήρα ή της δεξαµενής φόρτισης, η κινητική ενέργεια του νερού εντός αυτών θεωρείται αµελητέα. Η υδραυλική ισχύς που διατίθεται προς µετατροπή σε µηχανική ισχύ ισούται µε: Ν h = ρ g Q h = γ Q h
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ όπου: Q ηπαροχήόγκουτουνερούπουδιέρχεταιαπότον υδροστρόβιλοσε m 3 /s ρηπυκνότητατουνερούσε kg/m 3 γτοειδικόβάροςτουνερούσε Nt/m 3 g ηεπιτάχυνσητηςβαρύτητας (9,81m/s 2 ). Οριακό στρώµα Η µηχανική ισχύς που ανακτάται από τον υδροστρόβιλο είναι µικρότερητης N h κατάτιςαπώλειεςτηςροήςστοσύστηµα προσαγωγής και τις απώλειες στον ίδιο τον υδροστρόβιλο. Οιυδραυλικέςαπώλειεςδh fee στοσύστηµαπροσαγωγής (σήραγγα, αγωγός προσαγωγής) είναι ανάλογες του τετραγώνου της παροχής για πλήρως τυρβώδη ροή: δh fee = k Q 2
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ Στην ανωτέρω σχέση ο δείκτης «e» αναφέρεται στη διατοµή εισόδουτουυδροστροβίλου. Συνεπώς, η διαθέσιµη υδραυλική πτώση, ή καθαρό ύψος πτώσεως H, δηλαδή η ενέργεια ανά µονάδα µάζας νερού που καλείται ο υδροστρόβιλος να µετατρέψει σε µηχανική ενέργεια, είναι ίση µε: Η = h δh fee Η= h k Q 2 Η= z E z A k Q 2
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ Στην περίπτωση υδροστροβίλου δράσεως, η διαθέσιµη υδραυλική ισχύς θα µετατραπεί σε ενέργεια εντατικής κατάστασης και κινητική ενέργεια στη διατοµή εισόδου του υδροστροβίλου: z E z e k Q 2 = pe ρ g 2 ce 2 g Λόγω της θέσης του υδροστροβίλου δράσεως, η πτώση z e z A (απότηστάθµητου υδροστροβίλου έως την ελεύθερη επιφάνεια της κάτω δεξαµενής) δεν µπορεί να αξιοποιηθεί. +
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ Η διαθέσιµη ενέργεια στη διατοµή εισόδου στον υδροστρόβιλο θα µετατραπεί στην έξοδο του ακροφυσίου σε δέσµη ροής, µε ταχύτητα: 2 e e 2 2 e e 2 e E c ρ p 2 c H g 2 c g 2 c g 2 c g ρ p Q k z z H + = = = + = =
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ Σε περιπτώσεις µεγάλης διαθέσιµης υδραυλικής πτώσης και µεγάλης διατοµής αγωγού προσαγωγής, ο όρος της εντατικής ενέργειας είναι πολύ µεγαλύτερος από τον όρο της κινητικής ενέργειας του νερού στη διατοµή εισόδου του υδροστροβίλου, δηλαδή: pe ρ g >> 2 ce 2 g Στην περίπτωση αυτή, αν αµελήσουµε τονόροτηςκινητικήςενέργειας, ηταχύτητα cτηςδέσµηςροής στο ακροφύσιο προκύπτει: pe c 2 ρ
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ Το ολικό ύψος ενέργειας στη διατοµή εισόδου του υδροστροβίλου ισούται µε: H oe = H atm + z fee όπουη atm ηατµοσφαιρικήπίεση. E δh Το ολικό ύψος ενέργειας στη διατοµή εξόδου του υδροστροβίλου a ισούται µε: oa atm A H = H + z + δh faa όπουδh faa οιαπώλειεςενέργειαςκατά τηροήτουρευστούαπότηδιατοµήεξόδου του υδροστροβίλου a έως την ελεύθερη επιφάνεια Α της κάτω δεξαµενής.
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ Οι απώλειες αυτές, βάσει της εξίσωσης Bernoulli µεταξύ των σηµείων a καιαισούνταιµε: H δh atm faa + = z e z e + + z A c 2 + 2 a g c 2 2 a g = H atm δηλαδή οι απώλειες ροής από την έξοδο του υδροστροβίλου έως την κάτω δεξαµενή ισούνται µε την ολική ενέργεια του ρευστού στην έξοδο του υδροστροβίλου. Ουσιαστικά όλη η ενέργεια του ρευστού στην έξοδο του υδροστροβίλου χάνεται σε θερµότητα λόγω τριβών, στροβιλισµών κλπ. + z A + δh faa
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ Αφαιρώντας κατά µέλη τις δύο σχέσεις που δίνουν τα ολικά ύψη ενέργειας στις διατοµές e και a έχουµε: H oe H oe H oa = H oa H = atm z + E z E z A δh fee δh fee H atm δh faa z A δh faa και επειδή δh faa = z e + 2 ca 2 g, προκύπτει τελικά: H oe H oa = z E z A δh fee z e 2 ca 2 g H oe H oa = ( z z δh ) E e fee 2 ca 2 g H oe H oa = H 2 ca 2 g
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ ΗδεσµευόµενηισχύςΝ c απότονυδροστρόβιλοισούταιµε: ΆρααπότηδιαθέσιµηισχύστονυδροστρόβιλοΝ i, ηισχύς που αντιστοιχεί στην κινητική ενέργεια του νερού στη διατοµή εξόδου του υδροστροβίλου διαφεύγει της ενεργειακής µετατροπής και δεν είναι δυνατόν να αξιοποιηθεί. ( ) g 2 c Q γ N N g 2 c Q γ H Q γ N g 2 c H Q γ N H H Q γ N 2 a i c 2 a c 2 a c oa oe c = = = =
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ Το ωφέλιµο ύψος πτώσεως Η* που ορίζεται ως: H* = H 2 ca 2 g εκφράζει την ανά µονάδα µάζας ενέργεια του ρευστού που είναι δυνατό να µετατρέψει ο υδροστρόβιλος σε µηχανική ισχύ.
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ Η πραγµατική µηχανική ισχύς που αποδίδεται από τον υδροστρόβιλο, αν αυτό περιστρέφεται µε γωνιακή ταχύτητα ω, θαείναι: N = M ω όπου Μ η κινητήρια ροπή που αναπτύσσεται στον άξονα του υδροστροβίλου. ΕίναιπροφανέςότιθαισχύειΝ<Ν i. ΗδιαφοράδΝ=Ν-Ν i αντιστοιχεί στις συνολικές απώλειες του υδροστροβίλου, οι οποίες εκφράζονται µέσω του ολικού βαθµού απόδοσης η: η = N N i N = η N i N = η γ Q H
ΗροήτηςενέργειαςσεΥΗΕ ΗηλεκτρικήενέργειαΝ e πουπαράγεταιαπότον υδροστρόβιλο θα είναι µικρότερη της Ν κατά τις απώλειες της γεννήτριας και του µετασχηµατιστή, που εκφράζονται µέσω τωναντίστοιχωνβαθµώναπόδοσηςη G καιη Tr : N e = η G η Tr η N i N e = η G η Tr η γ Q H Η τελική ηλεκτρική ενέργεια που τελικά θα διατίθεται στο ηλεκτρικόδίκτυοθαείναιµικρότερητηςν e κατάτηνενέργεια πουιδιοκαταναλώνεταιαπότονίδιοτονυησ (φωτισµός, κίνηση, αυτοµατισµοί κλπ).
ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Με δεδοµένη την καµπύλη διάρκειας της παροχής του υδατορεύµατος, είναι δυνατός ο υπολογισµός της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον ΥΗΣ και η επιλογή του κατάλληλου µοντέλου υδροστροβίλου. Το πρόβληµα της βελτιστοποίησης του µεγέθους του υδροστροβίλου τίθεται από το περιορισµένο εύρος λειτουργίας του, σε συνδυασµό µε το µεγάλο εύρος διακύµανσης της διαθέσιµης παροχής. Στην περίπτωση διάθεσης µεγάλου ταµιευτήρα (µεγάλα ΥΗΕ), η διακύµανση της διαθέσιµης παροχής περιορίζεται και το πρόβληµα επιλογής υδροστροβίλου αντιµετωπίζεται ευκολότερα.
1 ο Παράδειγµα ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Έστω υδατόρευµα µε τις ακόλουθες καµπύλες διάρκειας για τηνκαλοκαιρινή (1/4 έως 3/9 183 ηµέρες) καιτηχειµερινή περίοδο (1/1 έως 3/3 182 ηµέρες). Παροχή (m 3 /s),5,75 1, 1,25 1,5 Αριθµός ηµερών >173 123 9 75 <6 Ποσοστό χρόνου (%) 95 67 49 41 33 Παροχή (m 3 /s),5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 Αριθµός ηµερών >172 157 137 117 12 75 6 Ποσοστό χρόνου (%) 95 86 75 64 56 41 33
ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ 1 ο Παράδειγµα Καµπύλες διαρκείας
1 ο Παράδειγµα ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Η διαθέσιµη καθαρή υδραυλική πτώση είναι Η=2m. Υπάρχουν τρία µοντέλα υδροστροβίλων που λειτουργούν µε σταθερό υψηλό βαθµό απόδοσης η=81,6% για µια περιοχή τηςδιαθέσιµηςπαροχήςαπό,5q N έως Q N, όπου Q N η ονοµαστική παροχή του υδροστροβίλου, που έχει ως εξής: Υδρ/λος Ονοµαστική παροχή (m 3 /s) Ελάχιστη παροχή (m 3 /s) Πεδίο λειτουργίας Μέγιστη παροχή (m 3 /s) Ελάχιστη ισχύς (kw) Μέγιστη ισχύς (kw) 1 3, 1,5 3, 24 48 2 2, 1, 2, 16 32 3 1,,5 1, 8 16
1 ο Παράδειγµα ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Στον ανωτέρω πίνακα, η τελική παραγωγή ισχύος υπολογίζεται, δεδοµένων του βαθµού απόδοσης, της παροχής και του διαθέσιµου µανοµετρικού, από τη σχέση: N e = η γ Q H Με βάση τις καµπύλες διαρκείας της παροχής του υδατορεύµατοςκαιταεύρηλειτουργίαςτωνυδροστροβίλων, καταλήγουµε στον υπολογισµό των καµπύλων λειτουργίας της παραγόµενης ισχύος από κάθε µοντέλο υδροστροβίλου. Επίσης υπολογίζουµε την παραγωγή ενέργειας από τη σχέση (t i o αριθµόςηµερώνγιαπαραγωγήισχύοςν i ): Ni+ Ni+ 1 Ee = ( ti+ 1 ti) 24h 2
ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ α. Υδροστρόβιλος Q N =3m 3 /s. Παροχή (m 3 /s),5,75 1, 1,25 1,5 Αριθµός ηµερών >173 123 9 75 <6 Παραγωγή ισχύος (kw) 24 Παραγωγή ενέργειας (MWh) 345,6 Σύνολο ενέργειας (MWh) 345,6 Παροχή (m 3 /s) Αριθµός ηµερών Παραγωγή ισχύος (kw) Παραγωγή ενέργειας (MWh) Σύνολο ενέργειας (MWh),5 >172 1, 157 24 32 721,92 4 Συνολική ετήσια παραγωγή ενέργειας: 1.67,52MWh 1,5 137 134,4 2, 117 129,6 2,5 12 285,1 3, 75 48 172,8 3,5 6
ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ β. Υδροστρόβιλος Q N =2m 3 /s. Παροχή (m 3 /s),5,75 1, 1,25 1,5 Αριθµός ηµερών >173 123 9 75 <6 Παραγωγή ισχύος (kw) 16 2 24 Παραγωγή ενέργειας (MWh) 64,8 79,2 345,6 Σύνολο ενέργειας (MWh) 489,6 Παροχή (m 3 /s) Αριθµός ηµερών Παραγωγή ισχύος (kw) Παραγωγή ενέργειας (MWh) Σύνολο ενέργειας (MWh),5 >172 1, 157 16 96, 1,5 137 24 134,4 2, 117 32 115,2 345,6 2,5 12 Συνολική ετήσια παραγωγή ενέργειας: 835,2MWh 3, 75 3,5 6
ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ γ. Υδροστρόβιλος Q N =1m 3 /s. Παροχή (m 3 /s),5,75 1, 1,25 1,5 Αριθµός ηµερών >173 123 9 75 <6 Παραγωγή ισχύος (kw) 8 12 16 Παραγωγή ενέργειας (MWh) 12, 11,9 57,6 Σύνολο ενέργειας (MWh) 288,5 Παροχή (m 3 /s) Αριθµός ηµερών Παραγωγή ισχύος (kw) Παραγωγή ενέργειας (MWh) Σύνολο ενέργειας (MWh),5 >172 8 43,2 1, 157 16 76,8 1,5 137 12, Συνολική ετήσια παραγωγή ενέργειας: 48,5MWh 2, 117 2,5 12 3, 75 3,5 6
ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Από τους ανωτέρω υπολογισµούς καταλήγουµε στα εξής: Ο υδροστρόβιλος 1 έχει µέγιστη παραγωγή ενέργειας το χειµώνα, άρα ίσως είναι η βέλτιστη επιλογή σε ψυχρά κλίµατα. Ο υδροστρόβιλος 2 έχει µέγιστη παραγωγή ενέργειας το καλοκαίρι. Καθότι είναι και φθηνότερος από τον υδροστρόβιλο 1, ίσως αποτελεί τη βέλτιστη επιλογή σε θερµά κλίµατα (Ελλάδα).
ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Από τους ανωτέρω υπολογισµούς καταλήγουµε στα εξής: Ηπερισσότερηενέργειαπαράγεταιαπότονυδροστρόβιλο 1, οοποίοςόµωςέχεικαιτουψηλότεροκόστος, ως µεγαλύτερος σε µέγεθος. Το ερώτηµα που τίθεται είναι αν το υψηλότερο κόστος του υδροστροβίλου αντισταθµίζεται από τη µεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας. Σηµαντική επίσης παράµετρος είναι η θέση εγκατάστασης τουυηε, δηλαδήαναυτήείναισεψυχράήθερµάκλίµατα, δηλαδή πότε παρουσιάζεται η αιχµή στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας (χειµερινή ή καλοκαιρινή περίοδος), όταν και η τιµή πώλησης της παραγόµενης ενέργειας από το ΥΗΕ θα είναι µέγιστη.
2 ο παράδειγµα: ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Εξετάζεται η κατασκευή ΥΗΕ σε υδατόρευµα µε ετήσια καµπύλη διάρκειας την ακόλουθη: Ποσοστό χρόνου (%) Παροχή (m 3 /s) 4 34,5 35 1 2 3 4 5 6 18,2 132, 11, 96,5 88, 79,5 Παροχή όγκου (m 3 /s) 3 25 2 15 1 5 7 75, 8 72,45 2 4 6 8 1 9 64, Ποσοστό χρόνου (%) 1 43,
2 ο παράδειγµα: ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Η φυσική υδραυλική πτώση θεωρείται σταθερή κατά τη διάρκεια του έτους και ίση µε h=9,87m. Οι απώλειες ροής του συστήµατος προσαγωγής του νερού είναι ανάλογες του τετραγώνου της παροχής και ίσες µε: δh fεe = k e Q 2 όπου Q ηπαροχήόγκουσε m 3 /sκαι k e υπολογίστηκείσοςµε k e =,2 1-3. Συνεπώς η διαθέσιµη υδραυλική πτώση στον υδροστρόβιλο προκύπτει: Η = h -δh fεe Η= 9,87 -,2 1-3 Q 2. Το µοντέλο του υδροστροβίλου που επιλέγεται έχει πεδίο τιµώνπαροχήςαπό Q min =64m 3 /sέως Q max =132m 3 /s.
2 ο παράδειγµα: ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Με βάση την καµπύλη διάρκειας του υδατορεύµατος, ο υδροστρόβιλος θα λειτουργεί για το 9% του έτους. Στην περίπτωση που η διαθέσιµη παροχή είναι µεγαλύτερη απότηµέγιστη 132m 3 /s, ουδροστρόβιλοςθαλειτουργείµε την ονοµαστική παροχή και το πλεόνασµα θα υπερχειλίζει και θα διαφεύγει αναξιοποίητη. Όταν η παροχή του υδατορεύµατος είναι µικρότερη της ελάχιστηςπαροχήςλειτουργίαςτουυδροστροβίλου (64m 3 /s) ο υδροστρόβιλος δεν θα λειτουργεί. Τα ανωτέρω παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί.
2 ο παράδειγµα: ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Ποσοστό χρόνου (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Παροχή ρεύµατος (m 3 /s) 34,5 18,2 132, 11, 96,5 88, 79,5 75, 72,45 64, 43, Παροχή υδρ/λου (m 3 /s) 132, 132, 132, 11, 96,5 88, 79,5 75, 72,45 64,, ιαθέσιµη υδραυλική πτώση (m) 6,39 6,39 6,39 7,45 8,1 8,32 8,61 8,75 8,82 9,5 9,87 Συνολική ετήσια παραγωγή ενέργειας (MWh) Ηλεκτρική ισχύς (kw) 7.193,44 7.193,44 7.193,44 6.994,19 6.595,1 6.249,67 5.839,21 5.597,7 5.453,87 4.943,74, Ηλεκτρική ενέργεια (MWh) 6.31,5 6.31,5 6.214,2 5.952,1 5.626, 5.294,9 5.9,4 4.84,6 4.554,2 2.165,4, 52.259,8
2 ο παράδειγµα: ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Για τον ανωτέρω πίνακα λαµβάνονται υπόψη τα εξής: Ηδιαθέσιµηυδραυλικήπτώσηυπολογίζεταιαπότησχέση: Η = 9,87 -,2 1-3 Q 2 (Q ηπαροχήτουυδροστροβίλου). Η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος δίνεται από τη σχέση: N e = η γ Q H Ο συνολικός βαθµός απόδοσης του υδροστροβίλου λαµβάνεται σταθερός στο πεδίο λειτουργίας και ίσος µε η=,87.
2 ο παράδειγµα: ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Συντελεστής απασχόλησης ή φορτίου ΥΗΕ (capacity factor) Και στην περίπτωση των ΥΗΕ (όπως και στην περίπτωση τωναιολικώνπάρκωνήτωνφωτοβολταϊκώνσταθµών) ορίζεται ο συντελεστής απασχόλησης ή, αλλιώς, συντελεστής φορτίου, ως το πηλίκο της παραγόµενης ενέργειας από το ΥΗΕ σε ένα χρονικό διάστηµα προς τη µέγιστη δυνάµενη να παραχθεί στο ίδιο χρονικό διάστηµα. Η µέγιστη δυνάµενη ενέργεια να παραχθεί από το ΥΗΕ είναι αυτήπουθαπροέκυπτεανστοενλόγωχρονικόδιάστηµαοι υδροστρόβιλοι του ΥΗΕ λειτουργούσαν όλοι συνεχώς στην ονοµαστική τους ισχύ.
2 ο παράδειγµα: ΕνεργειακήανάλυσηΥΗΕ Συντελεστής απασχόλησης ή φορτίου ΥΗΕ Ο ετήσιος συντελεστής απασχόλησης στο τελευταίο παράδειγµα υπολογίζεται: c f = 52.259.8kWh / (7.193,44kW 8.76h) = 82,93%. ΣεµικράΥΗΕοσυντελεστήςαπασχόλησηςείναιµεγάλος, τηςτάξηςτου 7 8%. Σε µεγάλα ΥΗΕ, ιδιαίτερα όταν υπάρχει σηµαντική εποχιακή διακύµανση της διαθέσιµης παροχής υδατορεύµατος και υψηλή διαστασιολόγηση του ΥΗΣ για παραλαβή αιχµών ισχύος στην περίοδο υψηλής ζήτησης, ο συντελεστής απασχόλησηςµπορείναπέσεισετιµέςτηςτάξηςτου 3 5%.
ΠαροχήσυντήρησηςΥΗΕ Η παροχή συντήρησης είναι ένα πολύ σηµαντικό µέγεθος στη µελέτη και διαστασιολόγηση ενός ΥΗΕ. Η παροχή συντήρησης είναι η ελάχιστη παροχή που πρέπει να εξασφαλιστεί κατάντι του υδατορεύµατος, προκειµένου να διατηρηθούν οι όποιες άλλες υφιστάµενες χρήσεις του νερού (π.χ. άρδευση) και να µην πληγεί η βιοποικιλότητα της περιοχής (χλωρίδα και πανίδα) που στηρίζεται στην ύπαρξη του υδατορεύµατος. Σε περιπτώσεις χαµηλής παροχής ύδατος, η απαίτηση για την παροχή συντήρησης µπορεί να επηρεάσει την απόδοση του ΥΗΕ. Σε κάθε περίπτωση, για τον υπολογισµό της διαθέσιµης παροχήςστονυησθαπρέπειαπότηνπαροχήτου υδατορεύµατος να αφαιρείται η παροχή συντήρησης.
Πρωτεύουσακαιδευτερεύουσα παραγωγήυηε Η παραγωγή ενέργειας από ένα ΥΗΕ διακρίνεται σε πρωτεύουσα και δευτερεύουσα. Ως πρωτεύουσα ονοµάζεται η ενέργεια που ετησίως θα δώσει το ΥΗΕ, ανεξάρτητα από τις συνθήκες υδραυλικότητας του υδρολογικού έτους, είναι δηλαδή η ενέργεια που εγγυηµένα θα παραχθεί από το ΥΗΕ. Ως δευτερεύουσα ονοµάζεται η ενέργεια που θα πραχθεί επιπλέοντηςπρωτεύουσαςαπότουηεκαιπουτοµέγεθός της εξαρτάται τις διακυµάνσεις της υδραυλικότητας που ανακύπτουν ανάµεσα στα υδρολογικά έτη.