Turbina wodna, z turbinami Kaplana, Peltona i Francisa na czele, to duża maszyna rotacyjna, która przetwarza energię kinetyczną i potencjalną na energię hydroelektryczną. Te nowoczesne odpowiedniki koła wodnego są wykorzystywane od ponad 135 lat w przemyśle energetycznym, a ostatnio także w elektrowniach wodnych.
Do czego wykorzystuje się dziś turbiny wodne?
Obecnie energia wodna odpowiada za 16% światowej produkcji energii. W XIX wieku turbiny wodne były wykorzystywane głównie w przemyśle, zanim sieci elektroenergetyczne stały się powszechne. Obecnie są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej i można je znaleźć w zaporach wodnych lub na obszarach o dużym przepływie wody.
W obliczu szybko rosnącego globalnego zapotrzebowania na energię oraz czynników takich jak zmiana klimatu i wyczerpujące się zasoby paliw kopalnych, energia wodna ma potencjał, aby odegrać znaczącą rolę jako forma zielonej energii na skalę globalną. Wraz z ciągłymi poszukiwaniami przyjaznych dla środowiska i czystych źródeł energii, turbiny Francisa mogą okazać się bardzo popularnym i coraz częściej stosowanym rozwiązaniem w nadchodzących latach.
Jak turbiny wodne wytwarzają energię elektryczną?
Ciśnienie wody wytwarzane przez naturalnie lub sztucznie płynącą wodę stanowi źródło energii dla turbin wodnych. Energia ta jest przechwytywana i przetwarzana na energię hydroelektryczną. Elektrownia wodna zazwyczaj wykorzystuje tamę na aktywnej rzece do magazynowania wody. Woda jest następnie uwalniana stopniowo, przepływając przez turbinę, obracając ją i uruchamiając generator, który następnie wytwarza energię elektryczną.
Jak duże są turbiny wodne?
Ze względu na wysokość podnoszenia, turbiny wodne można podzielić na wysokie, średnie i niskie. Systemy hydroenergetyczne o niskim spadzie są większe, ponieważ turbina wodna musi być duża, aby osiągnąć wysoki przepływ przy jednoczesnym niskim ciśnieniu wody na łopatki. Z kolei systemy hydroenergetyczne o wysokim spadzie nie wymagają tak dużego obwodu powierzchni, ponieważ wykorzystują energię z szybciej poruszających się źródeł wody.
Wykres objaśniający wielkość różnych części układu hydroenergetycznego, w tym turbiny wodnej
Tabela objaśniająca wielkość różnych części układu hydroenergetycznego, w tym turbiny wodnej
Poniżej przedstawiamy kilka przykładów różnych typów turbin wodnych, wykorzystywanych w różnych zastosowaniach i przy różnych ciśnieniach wody.
Turbina Kaplana (ciśnienie 0-60 m)
Turbiny te nazywane są turbinami reakcyjnymi o przepływie osiowym, ponieważ zmieniają ciśnienie wody podczas jej przepływu. Turbina Kaplana przypomina śmigło i posiada regulowane łopatki, które maksymalizują wydajność w szerokim zakresie poziomów wody i ciśnienia.
Schemat turbiny Kaplana
Turbina Peltona (ciśnienie 300–1600 m)
Turbina Peltona – lub koło Peltona – jest znana jako turbina akcyjna, ponieważ czerpie energię z poruszającej się wody. Turbina ta nadaje się do zastosowań o dużym spadzie, ponieważ wymaga wysokiego ciśnienia wody, aby wywrzeć siłę na łyżkowate wiadra i wprawić tarczę w ruch obrotowy, generując energię.
Turbina Peltona
Turbina Francisa (ciśnienie 60–300 m)
Ostatnia i najsłynniejsza turbina wodna, turbina Francisa, odpowiada za 60% światowej energii wodnej. Działając jako turbina uderzeniowo-reakcyjna, pracująca przy średnim spadzie, turbina Francisa łączy w sobie koncepcje przepływu osiowego i promieniowego. W ten sposób turbina wypełnia lukę między turbinami o wysokim i niskim spadzie, tworząc bardziej wydajną konstrukcję i stawiając przed inżynierami wyzwanie dalszego jej udoskonalania.
Dokładniej rzecz ujmując, turbina Francisa działa w oparciu o przepływ wody przez spiralną obudowę do (statycznych) łopatek kierowniczych, które kontrolują jej przepływ w kierunku (ruchomych) łopatek wirnika. Woda wymusza obrót wirnika poprzez połączenie sił uderzenia i reakcji, ostatecznie opuszczając wirnik przez rurę ssącą, która odprowadza strumień wody do środowiska zewnętrznego.
Jak wybrać projekt turbiny wodnej?
Wybór optymalnej konstrukcji turbiny często sprowadza się do jednego czynnika: wysokości podnoszenia i dostępnego natężenia przepływu. Po ustaleniu, jakie ciśnienie wody można uzyskać, można zdecydować, czy lepszym rozwiązaniem będzie zamknięta „konstrukcja turbiny reakcyjnej”, taka jak turbina Francisa, czy otwarta „konstrukcja turbiny impulsowej”, taka jak turbina Peltona.
Schemat turbiny wodnej
Na koniec możesz ustalić potrzebną prędkość obrotową proponowanego przez Ciebie generatora elektrycznego.
Czas publikacji: 15 lipca 2022 r.
