SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU

ODJEL ZA FIZIKU

NIKOLA FRIŠ ČIĆ

HIDROELEKTRANA DUBRAVA

DIPLOMSKI RAD

Osijek, 2014. SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU

ii

ODJEL ZA FIZIKU

NIKOLA FRIŠ ČIĆ

HIDROELEKTRANA DUBRAVA

DIPLOMSKI RAD

Osijek, 2014.

iii

"Ovaj diplomski rad je izrađen u Osijeku i Donjem Vidovcu pod vodstvom doc.dr.sc.

Stanić Denisa u sklopu Sveučilišnog preddiplomskog studija fizike i tehničke kulture s

informatikom na Odjelu za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku".

iv

Zahvale

Zahvaljujem se doc.dr.sc. Stanić Denisu na razumijevanju i potpori u radu te

smjernicama i kritikama koje su mi uvelike pomogle prilikom kreiranja istog.

v

SADRŽAJ

1. UVOD 1

2. HIDROENERGIJA 3

2.1. Hidroenergetski potencijal 4

3. HIDROELEKTRANE 8

3.1. Osnovni tipovi hidroelektrana 9

3.1.1. Podjela prema načinu korištenja vode

9

3.1.1.1. Protočna hidroelektrana 3.1.1.2. Akumulacijske hidroelektrane 3.1.1.3. Reverzibilne

3.1.2. Podjela prema padu

3.1.2.1. Niskotlačne 3.1.2.2. Srednjotlačne 3.1.2.3. Visokotlačne

3.1.3. Podjela prema veličini akumulacijskog bazena

3.1.4. Podjela prema smještaju strojarnice

3.2. Osnovni dijelovi hidroelektrane

3.2.1. Brane ili pregrade 3.2.2. Zahvat 3.2.3. Vodostan ili vodna komora 3.2.4. Tlačni cjevovod 3.2.5. Turbina i generator 3.2.6. Odvod vode

3.3. Energetske značajke elektrana

9 9 10 10 10 11 11 11 12 12 12 12 13 13 13 16 17

vi

3.4. Moguća snaga hidroelektrane 3.5. Energetske prilike u hidroelektrani

19 20

4. HIDROELEKTRANA DUBRAVA 4.1. Osnovne karakteristike Hidroelektrane Dubrava 4.2. Karakteristični dijelovi Hidroelektrane Dubrava 4.3. Osnovne tehničke karakteristike

4.3.1. Hidrološki podaci 4.3.2. Podaci o akumulaciji 4.3.3. Energetski podaci 4.3.4. Podaci o opremi

4.3.4.1. Turbine – 2 Kaplan cijevne 4.3.4.2. Generatori 4.3.4.3. Transformatori

4.3.5. Podaci o građevinama brane 4.4. Zadatak

23 23 25 28 28 28 29 29 29 30 31 31 32

5. ZAKLJU ČAK 34

Literatura 35 Životopis 36

vii

Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Diplomski rad

Odjel za fiziku

HIDROELEKTRANA DUBRAVA

NIKOLA FRIŠ ČIĆ

Sažetak

U radu „Hidroelektrana Dubrava“ navodimo važnost dobivanja električne energije iz

obnovljivog izvora energije, vode. Opisujemo kako, zbog hidroloških procesa na Zemlji, voda

dobiva gravitacijsku potencijalnu energiju i kinetičku energiju koju zatim u hidroelektranama

možemo iskoristiti u proizvodnji električne energije.

Nadalje, opisujemo i klasificiramo hidroelektrane i njezine osnovne dijelove te

navodimo njihove energetske značajke. Detaljno opisujemo energetske prilike u njima i

izvodimo matematičke formule kojima možemo odrediti njihovu snagu i ukupnu količinu

proizvedene energije.

Posljednje poglavlje opisuje HE Dubrava sa svim njezinim dijelovima i osnovnim

tehničkim karakteristikama, sadrži izračun maksimalne moguće proizvedene energije u HE

Dubrava, a rezultate uspoređujemo s mogućom prosječnom godišnjom proizvodnjom i

prosječnom petogodišnjom ostvarenom proizvodnjom energije.

Rad je pohranjen u knjižnici Odjela za fiziku

Klju čne riječi: Hidroenergija, hidroenergetski potencijal, hidroelektrane, pretvorba energije,

električna energija, snaga hidroelektrane, proizvodnja energije, stupanj korisnosti

hidroelektrane

Mentor: doc.dr.sc. Denis Stanić

Ocjenjivači: dr.sc. Marina Poje, mr.sc. Slavko Petrinšak

Rad prihvaćen:

viii

University of Josip Juraj Strossmayer Osijek Bachelor of Physics

Department of Physics Thesis

NIKOLA FRISCIC

Abstract

The diploma work "Dubrava Hydroelectric" discusses the importance of obtaining

electricity from renewable energy sources, water. We describe how because of hydrological

processes in the earth, the water gets gravitational potential energy and kinetic energy that we

can use in hydroelectric power plants in electricity production.

Furthermore, we describe and classify hydroelectric power plants and its basic parts

and talk about their energy characteristics. We describe the energy opportunities in them and

perform mathematical formulas by which we can determine the strength and the total amount

of produced energy.

The final chapter describes the hydropower plant HE Dubrava with all its parts and

basic technical characteristics, contains the calculation of the maximum possible produced

energy in hydropower plant HE Dubrava, the results compare with a possible average annual

production and the five-year average level of production of energy.

Thesis deposited in Department of Physics library

Keywords: Hydropower, hydropower potential, hydropower, energy conversion, electric

power, hydroelectric power plants power, power generation, hydroelectric power plants level

of usefulness

Supervisor: Denis Stanić, Ph.D.

Reviewers: Marina Poje, PhD, Slavko Petrinšak, MSc

Thesis accepted:

1

1. UVOD

U posljednje vrijeme svjedoci smo rastuće potražnje za energijom uzrokovane

povećanjem broja stanovnika na Zemlji, progresivnim tehnološkim razvojem i samim stilom

življenja. Primjerice, čovjeku za svoje dnevne biološke potrebe treba oko 1500-2000 kcal

energije, dok on potroši i preko 20 puta više. Procjenjeno je da će do 2050. godine broj

stanovnika porasti na 9 milijardi, a već se do 2035. godine očekuje porast svjetske potrošnje

energije za čak 35-50% [1].

Većinu energije dobivamo iz klasičnih, neobnovljivih izvora energije kao što su: drvo,

ugljen nafta, prirodni plin, hidroenergija iz velekih hidroelektrana i nuklearna energija. To

značajno, negativno uječe na okolinu čiji smo i mi dio. Proizvodnja energije pridonosi 80%

globalne emisije stakleničkih plinova [2] .

Osim što zagađuju okoliš karakteristika je neobnovljivih izvora energije da su im

resursi ograničeni i u prirodi ih ima sve manje. To opet povlači problem cijene energije, koja

raste kako se količina resursa smanjuje. Rastuća cijena energije može dovesti do njene

nedostupnosti siromašnom stanovništvu, što opet može izazvati nove političke, socijalne, ali i

humane probleme.

Da bi se zaustavio trend koji vodi prema globalnoj energetskoj krizi, sve više raste

zainteresiranost za obnovljivim, alternativnim izvorima energije kao što su: Sunčeva energija,

energija vjetra, geotermalna energija, energija valova, hidroenergija malih hidroelektrana,

energija plime i oseke i energija biomase. Energiju dobivenu iz obnovljivih izvora nazivamo i

čistom energijom jer njezinom se proizvodnjom ne zagađuje okoliš, a proizvodnja je

samoodrživa dok se izvori prirodnim procesima sami obnavljaju. Vjerojatno posljednja

prepreka većem iskorištavanju obnovljivih izvora energije je – visoka cijena. Daljnji razvoj

tehnologije kojom se alternativni izvori energije mogu pretvarati u nama najprihvatljiviji

oblik, električnu energiju, trebao bi ukloniti i tu prepreku [3,4].

Električna energija je, za razliku od obnovljivih izvora koje svrstavamo u primarne

oblike energije, prijelazni odnosno sekundarni oblik energije. Najčešće se koristi zbog toga

što se pouzdano i uz racionalne gubitke prenosi do lokacije krajnjeg korisnika, gdje se također

uz male gubitke pretvara u koristan rad. Osim toga moguće ju je pretvorbom dobiti iz

različitih energetskih izvora u elektranama, ne šteti okolini, jednostavna je za regulaciju,

upravljanje i mjerenje. Ima električna energija i svojih mana: ne može se ekonomično

akumulirati, prijenos je vezan na elektroenergetske vodove i transformatore, elektrane i mreže

2

su zahtjevne investicije. U manu se može ubrojiti i činjenica da se dobiva uglavnom

toplinskim pretvorbama vrlo male učinkovitosni ( max 0,4η = ) [5, 6].

Jedno od mogućih rješenja je potpuno iskorištavanje vodenih potencijala u

hidroelektranama. Tehnologija koja se koristi u hidroelektranama je već razvijena, a velike

početne investicije se isplate za desetak godina. Efikasne su, automatizirane i ne zagađuju

okoliš (male i srednje HE). Bez obzira na sve to ljudi se i dalje protive njihovoj izgradnji

prvenstveno zbog velikog preobražaja okoline i opasnosti od nesreća.

U Hrvatskoj se mogući iskoristivi potencijal vodotokova procjenjuje na oko 20 TWh

godišnja, a tehnički na oko 12 TWh. Trenutno se iskorištava tek polovica tehnički

iskoristivog potencijala, oko 6,1 TWh godišnje [7] .

3

2. HIDROENERGIJA

Hidroenergija, odnosno energija vode, podrazumijeva energiju dobivenu iz

gravitacijske potencijalne i kinetičke energije tekuće vodene mase, koja se može upotrijebiti u

čovjeku korisne svrhe [8]. Ona je najznačajniji obnovljivi izvor energije, a ujedno i jedini koji

je ekonomski konkurentan fosilnim gorivima i nuklearnoj energiji. Može se shvatiti kao oblik

solarne energije, pošto Sunce pokreće hidrološke cikluse kruženja vode na Zemlji, ili

gravitacijske energije Mjeseca i Sunca (plima i oseka). Naime, Sunčeva energija, koja dopire

do Zemljine površine, izaziva isparavanje vode na površinama oceana, jezera i rijeka, ali i na

površini tla iz biljaka. Ta se voda zatim podiže u obliku vodene pare od koje se u visinama

formiraju oblaci. Kondenzacijom se ta voda u obliku oborina vraća na tlo, te se time razina

vode na tlu podigne u odnosu na morsku razinu.

Slika 2.1. Hidrološki ciklus na Zemlji [9].

Time voda dobiva energiju zbog svog položaja (potencijalna) i energiju zbog kretanja

(kinetička). Energija položaja vode je početni oblik energije vode u prirodi koji se može

iskoristiti u tehničkim pretvorbenim sustavima. Oblici energije položaja vode: vodotoci, plima

i oseka, morski valovi [6, 8]. Međutim, samo se manji njezin dio može energetski iskoristiti

jer je potrebna određena koncentracija vode, a to se ostvaruje u vodotocima.

4

U zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je utrostručena, a njen udio

povećan je za 50%. Ti podaci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo povećava

iz više razloga: hidroenergija je čista, nema otpada, nema troškova goriva (voda je besplatna)

pod uvjetom da je ima u dovoljnoj količini, moderne hidroelektrane mogu i do 90% energije

vode pretvoriti u električnu energiju, puštanje hidroelektrane u pogon vrlo je brzo te se koriste

za pokrivanje naglih povećanja potrošnje; umjetna jezera nastala izgradnjom hidroelektrana

lokalno doprinose ekonomiji i omogućavaju navodnjavanje, vodoopskrbu, turizam i rekreaciju

[7].

Hidroenergija ipak značajno zaostaje za proizvodnjom u nuklearnim, ali i

termoelektranama. Razlog takvom stanju leži u činjenici da iskorištavanje hidroenergije ima,

također bitna tehnička i prirodna ograničenja. Glavno ograničenje jest zahtjev za postojanjem

obilnog izvora vode kroz cijelu godinu jer je skladištenje električne energije skupo i vrlo

štetno za okoliš. Kako bi se izbjegle oscilacije vodostaja na nekim je lokacijama potrebno

izgraditi brane i akumulacijska jezera. Izgradnja akumulacijskih jezera često zahtijeva

potapanje velikih dijelova dolina, a ponekad i cijelih naselja.

Osim što se na taj način povećava cijena izgradnje, javlja se i problem podizanja

razine podzemnih voda oko akumulacije. Razina vode naime utječe na biljni i životinjski

svijet. Dolazi i do promjena odnosa sedimentacije i erozije unutar riječnog korita. To sve

ukazuje da niti hidroenergija nije potpuno bezopasna za okoliš. Veliku opasnost mogu

predstavljati i potresi pa je u nekim zonama potrebna i dodatna protupotresna zaštita.

Hidroenergija, za razliku od ostalih načina iskorištavanja obnovljivih izvora energije,

nema problema s nedostatkom potrebne tehnologije već nedostatkom potrebnih lokacija.

Mnoge od najboljih lokacija širom svijeta su već iskorištene. Za razliku od kapitalnih

projekata kojih je sve manje, još uvijek je dovoljno projekata malih hidroelektrana, kod kojih

su rizici lošeg utjecaja na okoliš mnogo manji, a energetske potrebe i sigurnost investicije

mnogo veće.

2.1. Hidroenergetski potencijal

Hidroenergetski potencijal je rad kojeg može izvršiti vodeno tijelo mase

V( 3m )·ρ( kg / 3m ) na putu H (m) pod djelovanjem sile teže [10]. Kad se iskorištava

gravitacijska potencijalna energija vode (vodotoka) između bilo koje dvije kote, govorimo o

5

korištenju vode na padu koji je jednak razlici kota. Snagu vodotoka možemo onda odrediti

ovako. Gravitacijska je potencijalna energija vode mase m (kg) na padu dH (m) jednaka:

dW mgdH= (1)

Podijelimo li tu energiju s vremenom, dobivamo snagu:

dW

dP mgdHt

= = ɺ (2)

2

3

3 2 3

kg kg m m kg; ; 9,81 ; 1000

s m s s mH O

mdP gQdH m Q g

tρ ρ = = = ⋅ ≈ ≈

ɺ (3)

Integriranjem u granicama između kote ušća (Hu) i kote izvora (Hi), dobiva se snaga

vodotoka:

( )9,81 Hi

u

H

H

P Q dH= ∫ (4)

Ovako određena snaga srednja je snaga koju ima voda u promatranom vodotoku jer je račun

proveden sa srednjim višegodišnjim protokom. Vjerojatno moguća je dakle godišnja energija

vodotoka:

[ ]8760 kWhW P= (5)

gdje je 8760 broj sati u godini [9, 11].

Ukupna moguća energija ovisi i o stalnosti pretpostavljenog protoka i raspoloživosti

pretpostavljenog pada vode. Tako se određena količina energije naziva brutoenergija

vodotoka, odnosno bruto vodne snage kad se količina energije odnosi na neko područje. Pri

utvrđivanju srednje snage i godišnje energije vodotoka pretpostavljeno je da je sva voda

energetski iskoristiva, od izvora do ušća, u jednoj hidroelektrani ili u više njih, te da se

potencijalna energija vode transformira u električnu energiju bez gubitaka. Osim toga, kad se

određuju bruto vodne snage nekog područja, računa se i na gornji dio toka gdje su, normalno,

male količine vode, s velikim oscilacijama protoka, i na donji dio vodotoka gdje se, pogotovo

u nizinskim rijekama, pretpostavljaju mogućnosti iskorištavanja malih padova. U praktičnom

iskorištenju potencijalne energije vode nije međutim ispunjena nijedna od pretpostavki.

Protok je vrlo promjenljiv, pa se praktički nikada ne gradi hidroelektrana tolikog kapaciteta

koja bi mogla iskoristiti svu vodu i u razdobljima vrlo velikih protoka, jer u ostalim

razdobljima strojevi ne bi mogli raditi punom snagom. Zbog toga je i količina vode koja služi

za dobivanje električne energije manja od količine vode koja protječe vodotokom, pa je i

6

srednji iskoristivi protok manji od srednjega višegodišnjeg protoka. To što se ne može

upotrijebiti sva voda vrijedi i za cijeli raspoloživi pad zbog gubitaka energije, kod svladavanja

sila trenja, u različitim dovodima vode do hidroelektrane, te gubitke, koje možemo predstaviti

gubicima pada. Za derivacijski tip hidroelektrane postoji dakle razlika između tehnički

iskoristive i brutoenergije vodotoka kuju možemo prikazati H-Q dijagramom.

Slika 2.2. Tehnički iskoristiva energija vodotoka između kota 1H i 2H za derivacijski tip

hidroelektrane [9].

Na osnovi srednjih dnevnih protoka može se nacrtati godišnji dijagram protoka,

krivulja A, u kojem su kronološki poredani protoci. Pomoću podataka o dnevnim protocima

mogu se odrediti srednji desetodnevni protoci, srednji mjesečni protoci i konačno, srednji

godišnji protok. Svi ti srednji protoci određuju se kao aritmetičke sredine dnevnih protoka u

promatranom razdoblju.

Ako se nacrta i dijagram u kojem su dnevni protoci uneseni redom po veličini od

najvećeg do najmanjeg, dobiva se „krivulja trajanja protoka“.

7

Slika 2.3. Konstrukcija krivulje trajanja protoka [9].

Integriranjem godišnjeg dijagrama protoka ili krivulje trajanja protoka (što daje isti rezultat),

dobiva se volumen vode (0V ) koji je protekao kroz promatrani profil u promatranoj godini. Pri

tome kao apscisu treba uzeti protekli broj sekunda. Srednji je godišnji protok tada jednak:

12 3

00 6

0

m( ) ;

31,54 10 ssr

VV Q t dt Q

= = ⋅ ∫ (6)

gdje je 0V volumen u 3m , a 31,54· 610 broj sekunda u godini. Promatranje protoka u samo

jednoj godini može dovesti do krivih zaključaka o količinama i rasporedu voda u

promatranom vodotoku, pa je potrebno promatranje na dulje vremensko razdoblje. Dakle

iskorištenje vode vodotoka je ograničeno veličinom izgradnje hidroelektrane Qi kojoj

odgovara, nazovimo to tako, iskoristivi volumen vode iV :

0

iQ

iV tdQ= ∫ (7)

Kada se poznaje iskoristivi volumen (iV ), moguće je odrediti i srednji iskoristivi protok:

3

6

m

31,54 10 si

si

VQ

= ⋅

(8)

Srednji iskoristivi protok ( siQ ) manji je od srednjeg protoka vodotoka (srQ ), a njihov omjer

α daje „stupanj iskorištenja vode vodotoka“.

0

si i

sr

Q V

Q Vα = = (9)

8

Instalirani protok za protočne i derivacijske hidroelektrane uobičajeno se uzima unutar granica

1,5Qsr<Qi<2,5Qsr, a za akumulacijske i vršne hidroelektrane unutar granica 2Qsr<Qi<4Qsr.

Razvijene zemlje imaju i veće instalirane protoke [9, 11].

3. HIDROELEKTRANE

Hidroelektrane su energetska postrojenja u kojima se potencijalna i kinetička energija

vode, pomoću turbine pretvaraju u mehaničku energiju, koja se u električnom generatoru

koristi za proizvodnju električne energije. Hidroelektranu u širem smislu čine svi objekti i

postrojenja koje služe za prikupljanje (akumuliranje), dovođenje i odvodnju vode (brana,

zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd.), pretvorbu energije (turbine, generatori),

transformaciju i razvod električne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i

upravljanje cijelim sustavom (strojarnica i sl.) [12].

Slika 3.1. Shematski prikaz hidroelektrane [13].

Uloga i režim rada pojedine elektrane u elektroenergetskom sustavu ovise o sposobnosti

elektrane da se prilagodi brzim promjenama opterećenja. Tu do izražaja dolaze hidroelektrane

jer se najbolje mogu prilagoditi, te ispunjavaju zahtjev da se potrebna energija proizvede uz

9

što niže troškove (maksimalno iskorištenje raspoložive vode). Uloga hidroelektrana pritom

nije unaprijed čvrsto određena. U kišnom razdoblju godine velika većina hidroelektrana,

(osim onih s vrlo velikim akumulacijama), rade kao temeljne elektrane, a termoelektrane se

što je moguće više koriste kao vršne elektrane. U sušnom razdoblju uloge se zamjenjuju.

3.1. Osnovni tipovi hidroelektrana

Hidroelektrane se mogu podijeliti prema raspoloživom padu, prema načinu korištenja

vode, prema obujmu akumulacijskog bazena i prema smještaju strojarnice [12].

3.1.1. Podjela prema načinu korištenja vode

3.1.1.1. Protočne hidroelektrane

U protočnim hidroelektranama voda iz akumulacijskog jezera protječe kroz

postrojenje i nastavlja dalje svojim prirodnim tokom. Znači protočne hidroelektrane su one

koje nemaju uzvodnu akumulaciju ili se njihova akumulacija može isprazniti za manje od dva

sata rada kod nazivne snage. To znači da se skoro direktno koristi kinetička energije vode za

pokretanje turbina.

Protočne hidroelektrane je najjednostavnije izvesti, ali su one vrlo ovisne o trenutnom

protoku vode. Prednost protočne hidroelektrane je vrlo mali utjecaj na okoliš i nema dizanja

razine podzemnih voda.

3.1.1.2. Akumulacijske hidroelektrane

Akumulacijske hidroelektrane su najčešći način dobivanja električne energije iz

energije vode. Problemi nastaju u ljetnim mjesecima kad prirodni dotok postane premali za

funkcioniranje elektrane. U tom slučaju se brana mora zatvoriti i potrebno je održavati bar

razinu vode koja je biološki minimum. Veliki problem je i dizanje razine podzemnih voda.

Potrošnja električne energije ovisi o dobu dana, danu u tjednu, godišnjem dobu itd.. U

ponedjeljak je najveća potrošnja, vrlo velika potrošnja je i svim ostalim radnim danima.

Vikendom obično pada potrošnja električne energije. Za popunjavanje dnevnih špica

potrošnje grade se reverzibilne hidroelektrane. Postoje dvije izvedbe akumulacijskih

hidroelektrana: pribranska i derivacijska. Pribranska se nalazi ispod same brane, a

10

derivacijska je smještena puno niže od brane i cjevovodima je spojena na akumulaciju. Glavni

dijelovi akumulacijske elektrane su akumulacija, brana, zahvat, gravitacijski dovod, vodna

komora, zasunska komora, tlačni cjevovod, strojarnica i odvod vode.

3.1.1.3. Reverzibilne hidroelektrane

Za popunjavanje dnevnih maksimuma potrošnje grade se reverzibilne hidroelektrane.

Reverzibilne hidroelektrane slične su derivacijskim, ali protok vode je u oba smjera kroz

derivacijski kanal. Reverzibilna hidroelektrana ima dva skladišta vodene mase.

To su:

• gornja akumulacija - istovjetna je akumulacijskom jezeru klasičnih hidroelektrana.

Gradnjom brane osigurava se akumulacija vode, koja protječe kroz postrojenje i

rezultira proizvodnjom električne energije.

• donja akumulacija - voda koja izlazi iz hidroelektrane ulijeva se u drugo, donje

akumulacijsko jezero, umjesto da se vraća u osnovni tok rijeke.

Kad je potrošnja električne energije mala voda se pumpa iz donjeg jezera tj. iz nižeg

spremnika u gornju akumulaciju tj. u viši spremnik vode. To se obično radi noću, jer je tada

potrošnja energije najmanja. Reverzibilna turbina/generator može se ponašati i kao pumpa i

kao turbina (obično kao Francis turbina). Danju se prebacuje na proizvodnju električne

energije i tada se prazni gornja akumulacija, voda se propušta kroz turbinu, natrag u niži

rezervoar i pritom se generira električna struja. To nije baš energetski najbolje rješenje, ali je

bolje nego napraviti još nekoliko termoelektrana za pokrivanje dnevnih maksimuma

potrošnje.

3.1.2. Podjela prema padu:

• niskotlačne (do 25 m)

• srednjotlačne (od 25 do 200 m)

• visokotlačne (>200 m)

3.1.2.1. Niskotlačne su hidroelektrane riječne, pribranske i derivacijske. Grade se za

specifične padove do 1 m/km. Pri tome je karakteristično da im cjelokupni pad stoji na

raspolaganju neposredno kod elektrane, bez potrebe za tlačnim dovodima i cjevovodima.

11

3.1.2.2. Srednjotlačne hidroelektrane mogu biti pribranske i derivacijske, koje se najčešće

grade na mjestima gdje rijeka stvara zavoj koji se tada presiječe kanalom ili cjevovodom.

3.1.2.3. Visokotlačne hidroelektrane mogu biti pribranske i derivacijske. Radi li se o

pribranskim elektranama, s obzirom na veličinu uspora, ove su hidroelektrane obično i

akumulacijske s djelomičnom ili potpunom godišnjom regulacijom protoka i mogućnošću

vršnog rada u tijeku dana. Najčešće su međutim visokotlačne derivacijske hidroelektrane

budući da su zahvat i strojarnica prostorno odijeljeni; voda se naime dovodi do turbina

cjevovodom dugačkim i više kilometara. Grade se u brdovitim krajevima za padove veće od 5

m/km.

a) b) c)

Slika 3.2. Osnovne izvedbe HE ovisno o raspoloživom padu vode: a) niskotlačne, b)

srednjotlačne, c) visokotlačne [14].

3.1.3. Prema veličini akumulacijskog bazena

• HE sa dnevnom akumulacijom (punjenje akumulacije noću, a pražnjenje danju)

• HE sa sezonskom akumulacijom (punjenje akumulacije u kišnom, a pražnjenje u

sušnom razdoblju)

• HE sa godišnjom akumulacijom (punjenje akumulacije u kišnim, a pražnjenje u

sušnim godinama)

3.1.4. Prema smještaju strojarnice

• pribranske (strojarnica je smještena neposredno uz branu)

• derivacijske (strojarnica je odvojena od brane).

12

3.2. Osnovni djelovi hidroelektrana

Osnovni su dijelovi hidroelektrana [12]:

• brana ili pregrada

• zahvat i dovod vode

• vodna komora ili vodostan

• tlačni cjevovod

• strojarnica (turbine, generatori)

• odvod vode.

Prema tipu hidroelektrane neki od ovih dijelova mogu potpuno izostati, a u drugim

slučajevima može isti dio preuzeti više funkcija.

3.2.1. Brane ili pregrade su građevine koje imaju višestruku namjenu: da skrenu vodu s

njezinog prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane, da povise razinu vode povećavajući

tako gustoću gravitacijske potencijalne energije, i da omoguće akumuliranje vode. Naime,

većina se hidroelektrana opskrbljuje vodom iz akumulacijskih jezera koja su pritom često

ujedno i rekreacijska jezera. Sastavni su dijelovi pregrade (brane): tijelo pregrade i elementi

za regulaciju vodenog tijeka (preljevi, ispusti, preljevna polja i temeljni ispust).

3.2.2. Zahvat vodu zaustavljenu pregradom (branom), usmjerava prema dovodu (strojarnici

hidroelektrane). Razlikuju se dva osnovna tipa zahvata: zahvat na površini i zahvat ispod

površine vode. Zahvat na površini vode izvodi se kada je pregrada niska pa je razina vode iza

pregrade praktički konstantna. Prolaz vode kroz zahvat regulira se zapornicama. Zahvat ispod

površine vode i to na najnižoj mogućoj razini, razini do koje će se spuštati voda, izvodi se

kada se količina vode tijekom godine mijenja (akumuliranje vode u kišnom i njezino

iskorištavanje u sušnom razdoblju).

Dovod vode spaja zahvat s vodostanom, odnosno s vodnom komorom. Izgrađuje se

kao otvoren (kanal) ili kao zatvoren (tunel, koji može biti gravitacijski ili tlačni), ovisno o

topografiji terena kojim prolazi, ali i o pogonskim zahtjevima koji se postavljaju

hidroelektrani. Gravitacijski tunel nije posve ispunjen vodom pa je za promjenu protoka vode

potrebno mijenjati visinu zahvata i otvor na zahvatu. U slučaju tlačnog tunela voda ispunjava

cijeli profil tunela i za promjenu dotjecanja vode nije potrebno nikakvo djelovanje na zahvatu.

13

Hidroelektrane su tada znatno elastičnije u pogonu jer se opterećenje mijenja mijenjanjem

otvora ispred turbine.

3.2.3. Vodostan ili vodna komora nalazi se na kraju dovoda, a služi za ublažavanje

posljedica naglih promjena opterećenja. Kad je dovod gravitacijski, potreban je vodostan

odgovarajućeg obujma kako bi se u njemu mogle pohraniti veće količine vode u slučaju

naglih promjena opterećenja hidroelektrane. Ako hidroelektrana ima tlačni dovod, proširenje

na kraju tog dovoda mora se izvesti kao vodna komora takvih dimenzija, da nakon promjene

opterećenja, tlak u dovodu ne poraste iznad dopuštene granice, odnosno da se razina vode ne

spusti ispod najviše kote ulaza u tlačni cjevovod. Dimenzioniranje vodne komore ima velik

utjecaj na rad hidroelektrane.

3.2.4. Tlačni cjevovod služi za dovođenje vode iz vodostana ili vodne komore do turbina. U

pravilu izrađen je od čelika, a za manje padove i od betona. Prema svom smještaju tlačni

cjevovod može biti položen po površini ili u tunelu. Cjevovod u tunelu može biti slobodno

položen, kada tunel služi samo kao prostor za smještaj cjevovoda, ili prilijegati uz stijene

tunela, i to tako da naprezanja preuzima samo stjenka cjevovoda ili tako da ih preuzima

djelomično i okolna stijena.

Na ulazu u cjevovod uvijek postoji zaporni organ čija izvedba ovisi o tlaku koji vlada

na početku cjevovoda. Najvažniji je sigurnosni zaporni organ koji ima zadatak da automatski

spriječi daljnje dotjecanje vode u cjevovod ako iz bilo kakvih razloga pukne cijev. Ispred

sigurnosnog zapornog organa, postavlja se pomoćni zaporni organ koji omogućuje pregled i

popravke na sigurnosnom organu bez pražnjenja dovodnog tunela ili dovodnog kanala.

Postavljanje zapornih organa na dnu tlačnog cjevovoda ovisi o broju turbina koje su

spojene na jedan cjevovod i o pogonskim zahtjevima koji se postavljaju hidroelektrani.

Obilazni cjevovod se nalazi na početku glavnog cjevovoda. Predviđen je za postupno punjenje

glavnog, te ima mnogo manji promjer od spomenutog, jer se radi sprečavanja oštećenja,

cjevovod puni samo s 1/20 protoka u normalnom pogonu. Osim toga, zadatak je obilaznog

cjevovoda da omogući izjednačavanje tlakova ispred i iza zapornog organa na ulazu u

cjevovod jer bi bez toga izjednačenja bila potrebna vrlo velika snaga za otvaranje zapornog

organa.

3.2.5. Turbina i generator predstavljaju dvije najvažnije aktivne komponente HE. Voda u

pokretu prolaskom kroz turbinu prenosi mehaničku energiju na osovinu. Ovisno o uvjetima

14

koji vladaju oko lopatica turbine postoji veliki broj različitih izvedbi da bi se postigla

efikasnija pretvorba energije. Najpoznatije turbine kod velikih postrojenja su Pelton, Francis i

Kaplan. Za mala postrojenja postoji veliki broj dodatnih izvedbi od kojih je poznatija Michel-

Banki (s poprečnim tokom). Razlika turbina u principu djelovanja odražava se na optimalni

raspon protoka i padova za stupanj djelovanja.

Za velike padove najprimjerenija je Pelton turbina (kod MHE od 20 m). Kod srednje

velikih padova primjerena je Francis turbina (od 3 do 600 m). Na malim padovima i za veće

protoke najbolje je koristiti Kaplan turbinu (za vertikalnu izvedbu od 10 do 60 m, a za

horizontalnu od 2 do 20 m). Turbina s poprečnim protokom (Michel-Banki) se koristi kod

padova od 1 do 200m.

Svaka turbina ima maksimalan stupanj djelovanja pri instaliranom protoku. Ovisno o

vrsti turbine stupanj djelovanja se manje ili više smanjuje sa smanjivanjem protoka vode.

Brzina vrtnje turbine općenito je ovisna najprije o izvedbi, a potom o padu i protoku vode.

Vezu između specifičnog broja okretaja (sn ) jedinične modelne turbine (protok od 1 3m / s na

padu od 1m) i broja okretaja turbine koja ima protok Q i pad H prikazuje izraz:

1

2

3

4

s

Qn n

H

= (10)

Za Pelton turbinu specifični broj okretaja ide do 30, Francis ima (sn ) od 20 do 120, kod

Kaplan (vertikalne) to je od 180 do 260 i za Michel-Banki specifični broj okretaja ide od 30

do 210.

Pelton turbinu odlikuje rad sa slobodnim mlazom vode (akcija energije položaja vode

pretvorena u kinetičku energiju) pri približno atmosferskom tlaku. Kod izvedbi s više mlazova

situacija s tlakovima je nešto složenija. Male Pelton turbine mogu raditi ekonomično već i s

protocima od 30 l/s uz pad od 20 m. Kod promjene opterećenja ili potrebe za naglim

zaustavljanjem turbine, potrebno je zaustaviti ili preusmjeriti mlaz od lopatica. Promjena

smjera mlaza vode je bolje rješenje jer naglo zaustavljanje protoka može izazvati tzv. vodni

udar. Ponekad se primjenjuje i protumlaz kao vodna kočnica. Jednostavnost izvedbe i pristupa

osigurava lagano održavanje Pelton turbine [15, 16].

Francis turbina se može instalirati horizontalno ili vertikalno. Horizontalna izvedba

ima prednost zbog spajanja s generatorom. Vertikalna izvedba je skuplja jer zahtijeva veći

15

prostor, ima veću ukupnu masu postrojenja i dodatno je složenija za održavanje. Francis

turbina ima niz nedostataka u odnosu na Pelton izvedbu: osjetljivija je na problem kavitacije i

na nečistoće u vodi; efikasnost značajno opada kod manjeg protoka od nazivnog (ovisno o

izvedbi već kod 50% instaliranog protoka pada blizu 0,6); pogon nije stabilan kod protoka

manjeg od 40% instaliranoga; brzo zatvaranje protoka izaziva veći vodni udar te je potrebno

bolje dimenzionirati dovodnu cijev; kompleksnija izvedba i kontrola zahtijevju složeno

održavanje. Prednost Francis turbine u odnosu na Pelton je u iskorištavanju kompletnog pada.

Iskustveni podatci o brzini okretanja Francis turbine za padove od 10 do 50 m su između 900 i

1200 1min− , a za veće padove i do 1500 1min− [15, 16].

Kaplan turbina se koristi za male padove ili za protočne HE. Prednost Kaplan turbine

prema drugim sličnim izvedbama za male padove je u manjoj cijeni i u pozicioniranju

elektromehaničkog dijela izvan vode (lakše održavanje i sigurnije kod poplavljanja). Utjecaj

na okoliš izvedbi s Kaplan turbinom je manji zbog nepostojanja akumulacije i manjeg

zauzimanja prostora. Ovisno o protoku (reguliran ili varijabilan) postoje izvedbe sa fiksnim i

pomičnim krilcima lopatica rotora (veća efikasnost). Dvostruka regulacija osigurava dobar

stupanj djelovanja za veliki raspon protoka (do 30% instaliranog protoka) [15, 16].

a) b) c)

Slika 3.3. Skica osnovnih idzvedbi vodnih turbina: a) Francis turbina s horizontalnom

osovinom, b) Kaplan turbina, c) Pelton turbina s dvije mlaznice. [14]

U hidroelektranama se najčešće koriste sinkroni generatori izmjenične struje koji, na

temelju zakona elektromagnetske indukcije, pretvaraju mehaničku energiju u električnu

16

energiju. Električni generator sadrži magnetski dio (jezgru od feromagnetskog materijala) i

električni dio (jedan ili više namota).

Rotacijski električni strojevi uobičajeno imaju:

• nepomični stator (željezna jezgra, namotaj, priključci i kućište),

• pomični rotor (željezna jezgra, namotaj, klizni kontakti, osovina i ventilator),

• zračni raspor između statora i rotora.

Najčešće se rotor nalazi unutar statora, iako ima i suprotnih izvedbi. Rotori sinkronih

strojeva izvode se s istaknutim polovima. Hidrogeneratori su obično sporohodni s brzinom

vrtnje sn , određenom omjerom frekvencije f priključenog napona i brojem pari polova p

(60< sn <200 1min− ) [17].

Slika 3.4. Kaplanova turbina i električni generator u isječenom prikazu [18].

3.2.6. Odvod vode izveden je ili kao tunel ili kao kanal, a zadatak mu je da vodu nakon

iskorištenja u turbinama vrati u korito vodotoka ili da je dovede do zahvata sljedeće

hidroelektrane.

17

3.3. Energetske značajke elektrana

Instalirana snaga osnovna je značajka svake elektrane. Ona se definira kao

aritmetička suma nazivnih snaga generatora (u MVA), odnosno kao aritmetička suma snaga

turbina, mjerenih na stezaljkama generatora (u MW). Instalirana je snaga, dakle, nazivna

snaga elektrane.

Maksimalna snaga najveća je snaga koju elektrana kao cjelina može proizvesti uz

pretpostavku da su svi njezini dijelovi sposobni za pogon. Za hidroelektranu se uz to

pretpostavlja i da su protok i pad optimalni. Pri određivanju maksimalne snage ne postavlja se

zahtjev da se postigne optimalni stupanj djelovanja, ali se uzimaju u obzir utjecaji svih

dijelova postrojenja: dimenzije dovoda, tlačnog cjevovoda, odvoda i slično. Razlikuje se

maksimalna snaga na stezaljkama generatora (maksimalna bruto-snaga) i maksimalna snaga

na pragu elektrane (maksimalna neto-snaga).

Raspoloživa snaga najveća je snaga koju elektrana može proizvesti u nekom trenutku,

polazeći od stvarnog stanja u elektrani (kvarovi, popravci i pregledi), a uz pretpostavku da

nema ograničenja zbog proizvodnje jalove snage. Pri određivanju raspoložive snage treba kod

hidroelektrane uzeti u obzir raspoloživi dotok i pad. I ovdje se razlikuje raspoloživa snaga na

stezaljkama generatora i na pragu elektrane.

Maksimalno i minimalno godišnje opterećenje elektrane određuje se iz pogonskih

podataka elektrane ili iz konstruirane godišnje krivulje trajanja opterećenja. U većini

praktičkih slučajeva, za elektrane koje rade u većim elektroenergetskim sustavima,

maksimalno je godišnje opterećenje jednako ili skoro jednako maksimalnoj snazi, dok je

minimalno opterećenje jednako nuli, zbog godišnjeg pregleda.

Faktor opterećenja elektrane m definiran je kao omjer električne energije

proizvedene u promatranoj godini i električne energije koja bi se proizvela da je elektrana

kroz cijelu tu godinu bila pod maksimalnim opterećenjem. Ako se s ,maxgP označi

maksimalno opterećenje elektrane u tijeku promatrane godine u megavatima, a s gW godišnja

proizvodnja elektrane u megavatsatima u istom razdoblju, faktor opterećenja elektrane

izračunava se po formuli:

18

,max8760

g

g

Wm

P= (11)

jer godina ima 8760 sati.

Faktor iskorištenja n dobiva se iz analognog izraza ako se umjesto maksimalnog

opterećenja ,maxgP u formulu (11) uvrsti maksimalna snaga elektrane (,maxeP ):

e,max8760

gWn

P= (12)

Trajanje korištenja. Opterećivanje odnosno iskorištavanje elektrane često se

karakterizira trajanjem korištenja maksimalnog godišnjeg opterećenja ( ,maxgt ) i trajanjem

korištenja maksimalne snage (e,maxt ). Ove dvije veličine (dva trajanja) mogu se definirati kao

vrijeme potrebno da se snagom ,maxgP , odnosno snagom e,maxP proizvede energija gW .

Veličine g,maxt i e,maxt mogu se (u satima) izračunati prema formulama:

g,maxg,max

gWt

P= (13)

e,maxe,max

gWt

P= (14)

Treba naglasiti da ni g,maxt ni e,maxt ne predstavljaju stvarno trajanje pogona elektrane, već

samo vrijeme koje bi bilo potrebno da se uz maksimalno opterećenje, odnosno snagu,

proizvede količina energije gW . Trajanje korištenja akumulacijskih hidroelektrana je 2000 -

3000 h/god, protočnih i do 6000 h/god.

Faktori trajanja korištenja mogu se odrediti prema snazi ili opterećenju na

priključnicama generatora ili na pragu elektrane. U prvom slučaju treba u izraze (13) i (14)

uvrstiti godišnju proizvodnju na priključnicama generatora, a u drugom slučaju godišnju

proizvodnju na pragu elektrane.

Količina vode u vodotoku, kao i vremenski raspored vode u vodotoku, ovisi o nizu

utjecaja (o oborinama, sastavu i topografiji zemljišta, temperaturi zraka, biljnom pokrivaču i

dr.), pa kao osnova za utvrđivanje količine voda mogu poslužiti samo svakodnevna mjerenja

količine vode.

19

3.4. Moguća snaga hidroelektrana

Snaga je koju hidroelektrana daje na priključcima generatora jednaka:

[ ]Wn t gP g Q Hρ η η= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (15)

gdje je Q protok koji protječe kroz turbine, nH neto-pad koji stoji na raspolaganju, a tη i gη

stupnjevi su djelovanja turbine i generatora. Stupnjevi djelovanja i turbine i generatora ovise o

opterećenju i broju agregata u pogonu [9, 12].

Stupanj djelovanja pri optimalnom opterećenju u modernim hidroelektranama iznosi i do 90

%. Prosječan je stupanj djelovanja korištenja potencijalne energije vode niži i iznosi za veća

postrojenja približno 80%, a za manja postrojenja približno 75%.

Za određivanje snage kad nisu poznati stupnjevi djelovanja upotrjebljava se približna formula:

[ ]kWnP kQH= (16)

Vrijednost parametra k ovisi o snazi agregata u hidroelektrani. Za veće hidroelektrane

sagregatima snage P ≥10 MW, aproksimativni izraz glasi:

[ ]8 kWnP QH= (17)

a za hidroelektrane s agregatima manje snage je k <8. Veličina parametra k obično se

određuju linearnom interpolacijom uz pretpostavku da je k = 7,5 za elektrane s agregatima

snage 1 MW. U slučajevima kad se radi o manjim relativnim promjenama bruto-pada može se

mjesto stvarnog neto-pada u (17) uvrstiti srednji neto-pad koji se određuje relacijom:

' ''2 1

3 3nsr n nH H H= + (18)

gdje je 'nH neto-pad kod punog opterećenja, a ''

nH neto-pad uz srednje opterećenje odnosno

uz srednji iskoristivi protok [9, 12]. U oba se slučaja pretpostavlja da je volumen akumulirane

vode jednak polovici korisnog volumena akumulacije. Snaga određena izrazom (16) manja je

od snaga koje se postižu prigodom ispitivanja agregata, no vrlo dobro aproksimira vrijednosti

koje se postižu u stvarnom pogonu.

Mogućom dnevnom ili godišnjom proizvodnjom hidroelektrane naziva se ona količina

energije koju bi hidroelektrana mogla proizvesti s obzirom na protoke, pad, stupanj djelovanja

i veličinu izgradnje. Pokraj toga hidroelektrana se karakterizira i mogućom srednjom

godišnjom proizvodnjom (GWh) koja je određena kao aritmetička sredina mogućih godišnjih

20

proizvodnja u promatranom, što duljem nizu godina. Prigodom određivanja raspoloživog

dotoka vode, treba uzeti u obzir postojanje bilo vlastite akumulacije bilo akumulacije u

uzvodnim hidroelektranama, kao i eventualne potrebe vode za plovidbu, poljoprivredu i sl..

Pritom treba pretpostaviti da su svi dijelovi hidroelektrane sposobni za pogon, da ne postoje

ograničenja u mogućnosti preuzimanja proizvedene električne energije, da ne postoje

ograničenja proizvodnje zbog utjecaja mreže, (rezerva, proizvodnja jalove snage, regulacija

frekvencije i sl.), budući da je stvarna proizvodnja hidroelektrane normalno niža od moguće

proizvodnje, uglavnom radi promjena potražnje potrošača, odnosno u nekim razdobljima

godine i dana, veće mogućnosti proizvodnje od potražnje potrošača.

3.5. Energetske prilike u hidroelektranama

Slika 3.5. Presjek kroz vodnu turbinu u HE s malim padom [9].

Promatrajmo maseni protok vode od 1 kg/s koji se kreće od točke A do točke B. Snaga

masenog protoka u točki A pred ulazom u turbinu je:

2

2A A

A A

p cP gh

ρ= + + (19)

21

Snaga tlaka Ap / ρ posljedica je stupca vode 'Ah iznad točke A i tlaka okolice okp pa je:

2

'

2ok A

A A A

p cP gh gh

ρ= + + + (20)

S druge strane, nakon izlaska iz hidroelektrane u odvodni kanal, maseni protok u točki B ima

snagu:

2

2B B

B B

p cP gh

ρ= + + (21)

Uzevši i sada u račun stupac vode iznad točke B ( 'Bh ) i tlak okolice pok na odvodnom kanalu

može se relacija napisati u obliku:

2

'

2ok B

B B B

p cP gh gh

ρ= + + + (22)

Razlika između AP i BP je snaga masenog protoka koja se iskorištava u turbini:

2 2

' '

2 2A B

A B A A B B

c cP P P g h h g h h

g g

= − = + + − + +

(23)

Razlika između razina vode na strani dovoda (gornja voda) i na strani odvoda (donja voda)

naziva se bruto-pad hidroelektrane (bH ). Određen je relacijom:

( ) ( )' 'b A A B BH h h h h= + − + (24)

pa je jedinična iskoristiva snaga masenog protoka u vodnoj turbini:

2 2

2 2A B

b

c cP g H

g g

= + −

(25)

Drugi i treći član u zagradi izraza (25) imaju dimenziju duljine (m) i takvi se članovi nazivaju

„visine brzine“. Drugi je član visina brzine na dovodnoj, a treći visina brzine na odvodnoj

strani. Naime, kvadrat brzine podijeljen dvostrukim ubrzanjem Zemljine sile teže jednako

djeluje kao i stupac vode visok onoliko kolika je visina brzine. Izraz u zagradi jednadžbe (25)

raspoloživi je ili netopad ( nH ), pa je snaga masenog protoka:

nP gH= (26)

Množi li se ta snaga s ukupnim masenim protokom vode m (kg/s), koji možemo prikazati kao

produkt gustoće ρ (kg/ 3m ) i protoka Q ( 3m /s) raspoloživa će snaga turbine biti:

t nP mP g QHρ= =ɺ (27)

22

S obzirom da je za vodu koja služi za pogon vodnih turbina dopušteno, uz vrlo veliku točnost,

uzeti da je ρ = 1000 kg/ 3m , raspoloživa se snaga u praksi određuje iz izraza:

t nP gQH= (28)

Pri malom bruto-padu bH , u proračunu netopada zanemareni su gubici pri dovodu vode

turbini, što je i dopustivo u takvim prilikama. U hidroelektranama s većim padom, voda se

turbini dovodi kanalom ili tunelom i zatim cjevovodom, pa se gubici u odvodu i dovodu

moraju uzeti u obzir prigodom određivanja netopada i pritom treba razlikovati prirodni

brutopad 'bH od iskoristivog brutopada bH [9, 12].

Slika 3.6. Skica HE s velikim padom [9].

Oni se međusobno razlikuju za gubitke pada u dovodu vode hRd od vodotoka iz kojeg se

uzima voda i za gubitke pada hRo od hidroelektrane do mjesta u vodotoku gdje se voda vraća.

Prema tome je:

'b b Rd RoH H h h= − − (29)

Gubici pada nisu ništa drugo nego mjera za gubitke energije, odnosno snage vode pri strujanju

dovodnim i odvodnim kanalom ili tunelom, jer su gubici energije određeni relacijama

d dR Rw gh= , odnosno 0 0R Rw gh= [9, 12].

Da bi se odredio netopad iskoristiv u vodnoj turbini, treba dakle poći od brutopada Hb.

Postupimo li na opisani način, relacija je za netopad:

23

2 2 20

2 2 2A B

n b Ro

c c cH H h

g g g= + + − − (30)

0c – brzina vode na ulazu u cjevovod,

Ac – brzina vode na ulazu u turbinu,

Bc – brzina vode na izlazu iz turbine,

cRh – visina gubitaka u cjevovodu.

4. HE DUBRAVA

4.1. Osnovne karakteristike HE Dubrava

HE Dubrava je višenamjenska protočno derivacijska hidroelektrana dravskog sliva,

koja predstavlja posljednju stepenicu na dionici Drave od granice Slovenije do utoka Mure.

Koristi potencijal rijeke Drave za proizvodnju električne energije, povećava zaštitu od

poplava, poboljšava odvodnju, omogućuje gravitacijsko natapanje poljoprivrednih površina,

te omogućuje uvjete za razvoj sporta i rekreacije.

Posljednja je u nizu hidroelektrana kojima se uređuje i koristi Drava u Hrvatskoj do

ušća Mure, te je tako najnizvodnija od 3 izgrađene hidroelektrane na rijeci Dravi u Republici

Hrvatskoj, a ujedno i najnizvodnija od ukupno 22 hidroelektrane na rijeci Dravi uopće.

Drava je kišno-ledenjačkog režima s malom vodnom količinom zimi i velikim krajem

proljeća i početkom ljeta. Drava svejedno ima relativno povoljan raspored protoka tijekom

godine zahvaljujući velikoj akumulaciji vode u snijegu, a zbog ledenjaka ima i prilično

uravnotežen godišnji protok.

Osim kod proizvodnje električne struje, HE Dubrava ima i vrlo važnu ulogu u obrani

od poplava. Rijeka Drava je u prošlosti često plavila. Dostupni pisani podaci o plavljenju

rijeke Drave spominju, primjerice, velike poplave i javne radove na podizanju obrambenih

nasipa uz rijeku Dravu kod Varaždina, (na sjednicama Hrvatskog sabora u Varaždinu

i Zagrebu 1633., 1649., 1678., 1692. i 1698.). Poplava u rujnu 1965. bila je najveći vodni val

na Dravi, uzvodno od ušća Mure u proteklih 120 godina. Te godine u mjesec dana prošla su 3

24

vodna vala od kojih je treći dosegao najvišu razinu na vodomjernoj letvi Varaždin od

+424 cm i uzrokovao poplavu u Varaždinu. Protok velike vode se procjenjuje na 2800 m3/s.

Zbog znatnih šteta koje su prouzročile poplave (štete od poplave u Varaždinu 1965. godine

višestruko su premašile cijenu izgradnje nasipa), tih se godina intenzivirala izgradnja

obrambenih nasipa. Time je postavljena i sada aktualna granica u prostoru kojom su

odijeljene zemljišne površine za poljoprivrednu proizvodnju (i druge antropogene aktivnosti)

od prostora.

Nakon izgradnje hidroelektrana gotovo sva količina vode preusmjerena je na

postrojenja za proizvodnju električne struje. Starim koritom HE Varaždin, kojim je prije tekla

srednja voda od 333 m3/s, sada protječe od 10 do 12 m3/s vode. S druge strane, i dalje se

javljaju velike vode koje hidroenergetski objekti ne mogu u cijelosti propustiti. To su protoci

veći od 500 m3/s (oko 2 000 m3/s), koji se javljaju 1, 2 ili 3 puta godišnje u trajanju od

nekoliko dana, a protječu starim koritima. Osim toga, izgradnjom hidroelektrana praktično je

prekinut transport nanosa (prvenstveno šljunka).

Slika 4.1. Pogled na HE Dubrava iz zraka [12].

25

Hidroelektrana se nalazi u prostranoj aluvijalnoj dolini koja je sastavljena od debelih

kvartarnih šljunkovitih naslaga, s vrlo plitkom podzemnom vodom. Morfološka i druga

svojstva rijeke na toj su dionici uvjetovale da se najveći pad postiže usporavanjem. U odnosu

na uzvodne hidroelektrane, brana HE Dubrava je najviša, umjetno jezero najveće, (iza Peruče

i Kruščice, treće po veličini umjetno akumulacijsko jezero u Hrvatskoj), a

derivacijski kanal najkraći. Prednost velike akumulacije su mali gubici na padu uzrokovani

dnevnim uređenjem dotoka, a mana su veliki procjedni gubici [19].

4.2. Karakteristični dijelovi HE Dubrava

Hidroelektrana se sastoji od sljedećih glavnih dijelova:

• obodnih nasipa

• pokretnog i nepokretnog djela brane

• dovodnog kanala

• strojarnice

• odvodnog kanala

Obodni nasipi akumulacije i nasipi dovodnog kanala, ukupne dužine 26,6 km, izgrađeni su

od šljunka i zaštićeni slabo propusnom asfaltbetonskom oblogom.

Slika 4.2. Poprečni presjek nasute brane [19].

26

Pokretni dio brane izgrađen je u jedinstvenoj građevnoj jami u koju je procjeđivanje

vode smanjeno glino-betonskim uspravnim „visećim“ zidovima koji su tako nazvani zato jer

ne sežu do slabo propusnih zemljišnih slojeva. Pokretnom branom postiže se veliki uspor

(12,8 m), pa je protočnost brane koja se sastoji od 4 preljevna polja vrlo velika (gotovo 6000

m3/s).

Slika 4.3. Poprečni presjek pokretne brane [19].

Uz branu je smještena riblja staza koju koristi riba koja se mrijesti uzvodno od brane.

Osnovni dio nasutog djela brane je brana za pregrađivanje korita od kamenog nabačaja i

šljunka koja se brtvi glinobetonskim „visećim“ zidom i asfaltbetonskom oblogom.

Strojarnica dijeli derivacijski kanal na dovodni dužina 2 km (u nasipima), te odvodni (dužine

4,8 km) iskopan u šljunku i neobložen (osim početnog dijela koji je slapište strojarnice).

Slika 4.4. Derivacijski kanal (lijevo) i staro korito (desno) [19].

27

U ovoj su hidroelektrani upotrijebljene cijevne turbine s vodoravnom osovinom i

generatorima u „kruški“. Prednosti takvog rješenja se očituju u manjim građevinskim

troškovima strojarnice, monolitnoj konstrukciji strojarnice, turbinama s visokim stupnjem

korisnosti, u tome što nije potreban poseban regulator protoka, što postoji mogućnost odvoda

poplavnih voda kada je elektrana izvan pogona, te većoj sigurnosti i pouzdanosti pogona

zahvaljujući brzom nizvodnom turbinskom zatvaraču.

Slika 4.5. Prikaz hidroagregata s dvostruko reguliranom cijevnom turbinom [20].

Hidroelektrana u svom sastavu ima i dvije male hidroelektrane. U lijevom upornjaku

brane nalazi se agregat biološkog minimuma koji služi za ispuštanje propisanih količina u

korito nizvodno od brane (8 3m /s), a druga je na lijevom odvodnom jarku i koristi procjedne

vode s lijeve strane jezera. Na ušću odvodnog jarka na raspolaganju je pad do 6,3 m, a

instalirani protok dvije proizvodne jedinice iznosi 13,2 3m /s.

28

Slika 4.6. Uzdužni presjek male HE Dubrava [19].

Tijekom eksploatacije na HE Dubrava došlo je do značajnog sniženja razine donje

vode. Projektom je pretpostavljeno postupno sniženje razine donje vode, no ono je već znatno

premašeno, što je posljedica odustajanja od gradnje hidroelektrana nizvodno od HE Dubrava.

Praćenjem trenda donje vode ustanovljeno je da prosječni pad umjesto 17 m iznosi 18,5 m,

zbog čega elektrana radi u vrlo specifičnim uvjetima.

4.3. Osnovne tehničke karakteristike

4.3.1. Hidrološki podaci

oborinsko područje 15.981 2km

srednji godišnji protok 335 3m /s

visoka voda 1% vjerojatnosti 2.600 3m /s

visoka voda 0,1% vjerojatnosti 3.300 3m /s

Tablica 4.1. Hidrološki podaci u HE Dubrava [19].

4.3.2. Podaci o akumulaciji

površina 16,6 2km

ukupni volumen pri srednjem protoku 93,5 3hm

Tablica 4.2. Podaci o akumulaciji HE Dubrava [19].

29

4.3.3. Energetski podaci

normalni uspor 146,60 m n.m.

instalirani protok Qi 500 3m /s

bruto pad strojarnice za Qi, H 16-20 m

instalirana snaga na stezaljkama generatora 2 x 39 MW

moguća prosječna godišnja proizvodnja 350 GWh

Tablica 4.3. Energetski podaci u HE Dubrava [19].

Slika 4.7. Poprečni presjek strojarnice [19].

4.3.4. Podaci o opremi

4.3.4.1. Turbine – 2 Kaplanove cijevne

nazivni protok 250 3m /s

konstrukcijski pad 18,8 m

broj okretaja 125 o/min

snaga 43,5 MW

promjer radnog kola 5500 mm

Tablica 4.4. Podaci o turbinama u HE Dubrava [19].

30

a) b)

Slika 4.8. a) Radno kolo turbine izloženo ispred strojarnice, b) Turbina izvana prilikom

zamjene [19].

4.3.4.2. Generatori

snaga 42 MVA

napon 6,3 kV

faktor snage cosϕ = 0,95

masa generatora 200 t

pritisak zraka na „kruški“ 3 bara

Tablica 4.5. Podaci o generatorima u HE Dubrava [19].

a) b)

Slika 4.9. a) Stator generatora b) Rotor generatora [20].

31

4.3.4.3. Transformatori

snaga 2 x 43 MVA

prijenosni odnos 6,3/115 kV

Tablica 4.6. Podaci o transformatorima u HE Dubrava [19].

Slika 4.10. Trofazni transformator [21].

4.3.5. Podaci o građevinama Brane

Najveća visina (m) Dužina u kruni (m) Zapremina ( 3m )

obodni nasipi 15 22800 3178000

nasuti dio brane 15,6 380 216000

pokretna brana 23,5 112 60400

nasipi dovodnog

kanala

135 4000 1888000

strojarnica 39,3 30,9 50000

Tablica 4.7. Podaci o građevinama Brane u HE Dubrava [19].

32

4.4. Zadatak

Iz dostupnih podataka odredite kolika je maksimalna moguća proizvedena energija u HE

Dubrava. Usporedite rezultate sa zadanom mogućom prosječnom godišnjom proizvodnjom

energija i prosječnom petogodišnjom ostvarenom proizvodnjom energije.

Godišnja proizvodnja električne energije u GWh.

2009. 2010. 2011. 2012. 2013. 5gW

436,6 375 325 387 418 388.32

Tablica 4.8. Podaci o godišnjoj proizvodnji električne energije od 2009. – 2013. godine u HE

Dubrava [19].

350 WhočW G=

,max

,max

,max

max

2 39MW

2 340kW

1.18MW

79520kW

v

m

bm

P

P

P

P

= ×

= ×=

=

max max 79520kW 8760h 696,6 WhW P t G= ⋅ = ⋅ =

51

max

0,557gW

Wη = =

2max

0,502očW

Wη = =

1η - korisnost elektrane

2η - očekivana korisnost

očW - očekivana maksimalna godišnja proizvodnja energije

maxW - maksimalna godišnja proizvodnja energije

33

5gW - prosječna godišnja proizvodnja energije unazad 5 godina

,maxvP - maksimalna snaga velike elektrane

,maxmP - maksimalna snaga male elektrane

,maxbmP - maksimalna snaga agregata biološkog minimuma

Prosječna godišnja proizvodnja unazad 5 godina, 5gW =388,32 GWh, je znatno manja od

maksimalne godišnje proizvodnje energije maxW =696,6 GWh. Razlozi tome su: redovni i

izvanredni prekidi proizvodnje (redovni zbog održavanja, a izvanredni zbog kvarova),

promijenjiva potražnja električne energije (danju je veća nego noću), maksimalna snaga

elektrane ovisi o stupnju iskoristivosti hidroagregata, gubici energije u dovodu vode,

transformaciji i distribuciji.

max 5gW W W∆ = − =308,28 GWh

Razlika W∆ pokazuje da je u HE Dubrava čak 308,28 GWh neiskorištene energije, odnosno

učinkovitost elektrane 1η iznosi 0,557.

Slika 4.11. Osnovni prikaz proizvodnje i distribucije električne energije HE Dubrava u

punom pogonu na glavnom kontrolnom računalu (Workplace: Print Screen) [19].

34

5. ZKLJUČAK

Ukupni stupanj djelovanja η pri normalnom opterećenju u modernim

hidroelektranama iznosi i do 90%. Prosječno za veća postrojenja iznosi približno 80%, a za

manja postrojenja približno 75%. Nažalost, učinkovitost HE Dubrava znanto je manja i iznosi

tek 55,7%. Prije svega treba spomenuti da je 2010. i 2011. godine došlo do višemjesečnog

zastoja u proizvodnji električne energije zbog zamjene radnih kola glavnih turbina. Cilj

zamjene je upravo povećana eksploatacijska mogućnost agregata, korisnost, trajna

maksimalna snaga i smanjena kavitacija.

2009. godine postignuta je rekordna proizvodnja HE Dubrava zbog iznimno povoljnih

uvjeta (puno kiše i snijega). Te godine učinkovitost je bila 62,7% što potvrđuje da

proizvodnja u hidroelektranama uvelike ovisi o volumnom protoku rijeke, odnosno što je veći

volumni protok vode u rijeci to je veća proizvodnja električne energije. Gubici energije

javljaju se pri svladavanju sila trenja u dovodu, statoru, rotoru, ležajevima i brtvenicama

turbina, ventilacije zbog okretanja rotora. U obzir se mora također uzeti protjecanje vode kroz

raspore između statora i rotora, neiskorištenu kinetičku energiju otjecanja vode te gubitke na

transformatorima i dalekovodima.

Vidjeli smo da očekivana korisnost iznosi približno samo 50% što daje naslutiti da je

krajnje vrijeme za obnovu kompletne elektroenergetske infrastrukture. Ovako se može reći da

se svake godine gubi oko 20 – 30% energije u odnosu na Europu. S obzirom da Hrvatska

preko polovice svojih potreba za energijom namiruje uvozom, to nije zanemariva količina.

35

Literatura:

1. http://www.iea.org/

2. http://www.iiasa.ac.at/

3. Kulišić, P., Novi izvori energije, Školska knjiga, Zagreb, 1991.

4. Udovičić B., Energetika, Školska knjiga, Zagreb, 1993.

5. Damir Šljivac, Zdenko Šimić: Obnovljivi izvori energije, predavanja, ETF Osijek, 2009.

6. Udovičić B., Energija i izvori energije, Građevinska knjiga, Beograd, 1988.

7. Sever Z. i dr., Hidroelektrane u Hrvatskoj, Elektroprojekt, Zagreb, 2000.

8. Požar H., Osnove energetike, Školska knjiga Zagreb, 1987.

9. https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/09_Energetske_pretvorbe_i_procesi_u_hi

droelektranama.pdf (05.07.2014.)

10. Horvat D., Hidromehanika I, Školska knjiga, Zagreb, 1972.

11. Mikuli čić, V., Šimić, Z., Energijske pretvorbe (Tekst, http://www.fer.hr/predmet/enepre);

2011.

12. Lajos Jozsa, Energetski procesi i elektrane, udžbenik, ETF Osijek, 2006.

13. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fc/Hydroelectric_dam_hr.svg/30

0px-Hydroelectric_dam_hr.svg.png(05.07.2014.)

14. http://www.eihp.hr/hrvatski/projekti/see_ener-supply/pdf/5_Mahe.pdf(05.07.2014.)

15. Horvat D., Vodne turbine, Tehnička knjiga, Zagreb, 1955.

16. Pilić-Rabadan, Lj., Vodne turbine, pumpe i vjetroturbine, Sveučilište u Splitu, 1999.

17. http://zrno.fsb.hr/katedra/download/materijali/743.pdf

18. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/69/Water_turbine_hr.svg/250px

-Water_turbine_hr.svg.png(05.07.2014.)

19. HEP PROIZVODNJA d.o.o., Proizvodno područje HE SJEVER, Pogon HE dubrava

(materijali dobiveni prilikom obilaska).

20. http://www.ieee.hr/_download/repository/Elektrane_03_dodatak.pdf(05.07.2014.)

21. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/80/Drehstromtransformater_im

_Schnitt_Hochspannung.jpg/220px_Drehstromtransformater_im_Schnitt_Hochspannung.j

pg(05.07.2014.)

22. White, F.M., Fluid Mechanics, McGraw-Hill, 2010.

23. Virag, Z., Mehanika fluida-odabrana poglavlja, primjeri i zadaci, FSB Zagreb, 2002.

36

Životopis

Rođen sam 03. srpnja 1985. godine u Čakovcu, živim u Donjem Vidovcu. Po završetku

Osnovne škole Donja Dubrava u Donjoj Dubravi, 2000.g upisao sam se u Srednju školu

Prelog, smjer ekonomski tehničar gdje sam maturirao 2004.g.. Iste godine sam se upisao na

Odjelu za fiziku Sveučilišta J. J. Strossmayera u Osijeku, smjer profesor fizike i tehničke

kulture s informatikom. Sa statusom apsolventa počeo sam 2010.g. predavati fiziku i

matematiku u Osnovnim školama Kuršanec i dr. Ivana Novaka, Macinec gdje radim i danas.