Koristenje vodnih snaga

7/23/2019 Koristenje vodnih snaga

1/41

1

Koritenje vodnih snaga Predavanja

Do ukljuivo 11.03.2010. predavanja 12.03.2010. (petak) poinju vjebe Dalje su utorkom i etvrtkom predavanja a srijedom i petkom vjebe Iza 01.04. odrat e se jo jedno predavanja (07.04. srijeda) a u ostalim

terminima se odravaju vjebe do kraja semestra Vjebe

Auditorne i izrada 2 programa Uvjet za potpis prisustvo na predavanjima i vjebama i predaja oba

programa. Rok predaje drugog programa je petak 16.04.2010. godine. Predviena su dva kolokvija 26.03. i 16.04. Uvjet za potpis uz

programe i najmanje 25% na oba kolokvija. Preko 60% na oba

kolokvija oslobaa od pismenog ispita. Ispit pismeni i usmeni. Literatura

P.Stoji, Hidroenergetika, Split,. B.orevi; Korienje vodnih snaga,I i II dio; Beograd M.ugaj; Posebne analize u hidrotehnici, Zagreb, GI,

KORITENJE VODNIH SNAGA

Energija se moe kratko definirati kao sposobnostobavljanja rada.

Energija je sposobnost da se izvri rad i mjeri seradom koji se moe izvesti.

Jedinica za rad (energiju) je [Nm] (sila [N]; pomak (put)

[m]). Posebno ime je dul (joul, [J], a definirana je kaorad sile od 1 [N] na putu od 1 [m] u smjeru djelovanjasile. Dozvoljeno je koristiti i jedinicu [Ws] (vat sekunda),to se preteno koristi kao mjera elektrine energije.

Jedina nama dostupna energija je energija koja sepojavljuje u prirodi (primarni oblici energije) u razliitimoblicima.


2/41

2


Prema osnovnom zakonu o odranju energije ona se nemoe nepovratno izgubiti niti proizvesti, ona moepromijeniti svoj oblik u procesu transformacije iliobavljanja rada.

Sa stajalita postojanosti oblici pojave energije se mogupodijeliti u dvije grupe: a) nagomilana energija u nekom prostoru ili tijelu,

b) prijelazna energija, energija kada nagomilana energija prelaziiz prostora u prostor ili s tijela na tijelo.

(sutinska je razlika u tome da se nagomilana energija moe udanom stanju odravati proizvoljno dugo, dok je kratkotrajnostpojave osnovno svojstvo prijelazne energije)


Nagomilani oblici:

Energija poloaja (potencijalna energija) ( EP = mgH )

Energija gibanja (kinetika energija) ( EK = mv2/2 )

Unutranja energija (potencijalna i kinetika energija unutar tijela) Kalorina energija (razina molekula; dovoenje ili odvoenje topline )

Kemijska energija (razina atoma; energija sagorijevanja)

Nuklearna energija (razina jezgre; fuzija spajanje jezgara lakih atoma ;fisija dijeljenje-razbijanje jezgre tekih atoma)

(kada se promjenama smanjuje unutarnja energija kao razlika dobiva se najeetolina koju tijelo daje i koja se moe koristiti)

Prijelazni oblici energije Mehanika energija

Toplotna energija

Elektrina energija (vii oblik prijelazne energije, koji se moe koristiti samo utrenutku kada se proizvede, a rezultat je svih ranije spomenutih oblika energija)


3/41

3


Sa stajalita raspoloivosti i upotrebe oblici energije semogu podijeliti u tri grupe: Primarni oblik energije (raspoloiv u prirodi)

Transformirani oblik energije (prijelazni; pretvorba primarnogoblika u korisni)

Korisni oblik energije (neposredno uporabiva energija)

PRIMARNI oblici energije koji se pojavljuju u prirodiveinom se transformiraju zbog:

pogodnijeg naina koritenja ili zbog toga to prijenos u primarnom obliku nije mogu.

Primarni oblici energije

Prema uestalosti koritenja dijele se na:

Konvencionalni primarni oblici energije (a) ne zahtjeva senovi znanstveni ili tehniki razvoj; b) dominantna uloga uenergetskoj bilanci)

Nekonvencionalniprimarni oblici energije (koji nisukonvencionalni) (a)mogu se koristiti za proizvodnju velikih

koliina energije tek nakon znanstvenog i tehnikog razvoja; b)manje uee u energetskoj bilanci).

Prema iscrpivosti dijele se na:

Obnovljivioblici energije i

Neobnovljivioblici energije.


4/41

4

Kratak osvrt na povijest koritenja energije

U pradavna vremena osnovna potreba na energijirjeavana je prehranom i dnevna je potreba bila oko 8[MJ/dan], dok se danas u razvijenijim zemljama troi oko800 [MJ/dan/ovjek], dakle 100 puta vie.

(Tom se energijom ostvaruju materijalna dobra, transport,

informacije i hrana) Kao prvo gorivo koriteno je drvo, asfalt (sirova nafta)

(6000 god pne) i ugljen (Kina, 1100 pne). Vrlo rano zapoeto je koritenje vodnog kola (Rimljani) i

vjetra (plovidba), to je dugo bila jedina (uz ljudsku iivotinjsku energiju) koritena mehanika energija. Arapikoriste vodne snage i vjetrenjae oko 1000. god. pne.


5/41

5

XVI st. Koks (grijanje, kuhanje, proizvodnja eljeza)

XVII st. Izvori sirove nafte (USA, Rumunjska 1650)

XVIII st Watt parni stroj, kojim se energija gorivapretvara u mehaniku energiju (moe seproizvesti nezavisno od mjesta pojave primarneenergije i nezavisno od intenziteta pojave)

Volta elektrini kemijski element

XIX st Pripreme za koritenje elektrine energije

Obnovljivi izvori primarne energije: Vodne snage Energija sunca Energija vjetra Energija plime i oseke Energija valova Toplota mora Energija morskih struja

Jedino su vodne snage konvencionalni i obnovljivi oblikprimarne energije, to joj daje poseban znaaj uenergetskim bilancama.

Osim toga od primarnih obnovljivih oblika energije jedinose energija vode moe djelomino akumulirati to jovie naglaava znaaj te energije.


6/41

6

Danas se snaga i energija vode koristi gotovoiskljuivo za proizvodnju elektrine energije transformirane energije, koja se moe upotrijebitiza dobivanje svih oblika korisne energije.

Svi obnovljivi vidovi energije mogu setransportirati samo u obliku elektrine energije.

Neobnovljivi oblici energije mogu setransportirati i uskladititi u primarnom obliku to

omoguuje ustaljenost u koritenju (znaajnosvojstvo).

Korisni oblici energije

Toplinska energija Drvo Ugljen (1100 god. pne Kina) Nafta (Rim, istok, 1640 prva buotina u Italiji) Plin (1812, London) Uljni kriljevci (loenje; 1700 god. prvo tekue gorivo) Biomasa Suneva energija

Mehanika energija Ljudi ivotinje Vjetar (Arapi 1000 god. pne; meh. energija, brodovi) Vodne snage (1000 god. pne Arapi; 500 god. pne Rim mlinsko kolo Toplinska energija (1790. god. parni stroj) Elektrina energija (trofazna i okretno magnetno polje 1887. god)


7/41

7

Korisni oblici energije

Rasvjeta Drvo

Votane svijee

Plin

Petrolej

Elektrina rasvjeta

Kemijska Koks

Elektrina energija


8/41

8


9/41

9

KLASIFIKACIJA OBLIKA ENERGIJE

PRIMARNI

konvencionalni nekonvencionalni

Vodne snage:potencijalna ikinetika

Goriva: drvo,treset, fosilnagoriva (ugljen,sirova nafta, zemniplin)

Nuklearna goriva:uran i torij

Geotermikaenergija: unutranjaenergija Zemlje

Energija plime ioseke

Energija zraenjaSunca

Energija vjetra

Unutranja energijamora: iskoritavanje

razlike u temp. vodeEnergija morskihvalova

Energija morskihstruja

Energija fuzije:deuterij i tricij

TRANSFORMIRANI KORISNI

Energija izgaranja:

Kemijska kalorina

Npr. grijanje

Mehanika energija:Pretvorbapotencijalne ikinetike energijevode, kalorineenergije mora ivruih izvora

Elektrina energija:pretvorba mehanike

energijeNuklearna energija

Potroaima trebamehanika energijakao konaan oblikpretvorbe, kemijska,toplinska i rasvjetna.

PRIMARNI OBLICI ENERGIJE: Mehanika energija: ovjek, ivotinje Kemijska energija: drvo, ugljen, sirova nafta, zemni plin Nuklearna energija: uran, torij, deuterij Potencijalna energija: vodotoci, plima/oseka Kinetika energija: vodotoci, valovi, vjetar, morske struje Toplinska energija: geotermalni izvori, toplina mora Energija zraenja: Suneva energija

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE: Drvo (posjeeno drvo zamijeniti novoposaenim)

Vodne snage Plima i oseka Valovi mora Toplina mora Vjetar Sunce Toplina Zemlje

Oblici energije koje je tehniki mogue koristiti i ekonomski opravdano: vodnesnage, fosilna i nuklearna goriva.

Oblici energije koje je tehniki mogue koristiti, ali ekonomski neopravdano (iakose negdje koriste): Sunevo zraenje, energija vjetra, plime i oseke, morskih valova itopline mora.

Oblici energije za koje jo nije rijeen nain iskoritavanja: unutranja toplinazemlje, fuzija.


10/41

10

Sa stajalita mogunosti transformacije energijerazlikujemo: Neograniene transformacije (potencijalna, kinetika u

mehaniku i elektrinu koja se moe prenositi na velike daljine)

Ograniene ostale (unutarnja)

Vano je uoiti da se samo dio energije dobiva ueljenom obliku, te se omjer energije u traenom(dobivenom) obliku i dovedene energije naziva stupanjkorisnog uinka transformacije

= Wtr/Wdov

Primjer Za 1 [kWh] elektrine energije potrebno oko 3 [kWh]

primarne energije ugljena ( = 1/3 = 0,33)

Za 1 [kWh] elektrine energije potrebno oko 1,25[kWh] energije vode ( = 1/1,25 = 0,8)

Grijanje direktno preko ugljena ~ 0,5 , a preko

elektrine energije ~ 0,25.


11/41

11

Izraun snage i energije

SNAGA ili uin nekog sustava ocjenjuje se brzinomkojom on moe obaviti rad ili predati energiju. (Ukupnirad ili ukupna predana energija nije mjerilo snage, jer imali sustav moe predati veliku koliinu energije ali udugom vremenu).

P = dW/dt ENERGIJA

dominantno se koristi potencijalna energija, te je

W = mgh

m - masa [kg] g - ubrzanje sile tee [m/s-1] h - razlika potencijala (poloaja) [m]

W = V g h = 1000 V 9,81 h = 9810 V h [Nm] ([J]; [Ws])

W = V h/367 [kWh]

Snaga

P = dW/dt = g h Qdt/dt = g h Q = 9810 h Q [W] P = 9,81 Q h [kW]

W = Pdt = 9,81 Q h dt [kWh] (dt u satima)


12/41

12

Obzirom da su jedinice [J] i [W] za praktine potrebemalene koriste se vee jedinice: kilo kWh kW 103 [Wh]; [W]

mega MWh MW 106 [Wh]; [W]

Giga GWh GW 109 [Wh]; [W]

Tera TWh TW 1012 [Wh]; [W]

Peta PWh PW 1015 [Wh]; [W]

Otpori u provodnicima uzimaju se u obzir hidraulikimproraunima h u izrazu za snagu i energiju iskazuje se shneto

Otpori i gubici u strojevima uzima se kroz (koeficijentkorisnog uinka stroja (turbina, generator,transformator).

Kao prvi korak prouava se brutoenergetski potencijal a zatim seprocjenjuje tehniki i ekonomski iskoristivpotencijal te neto potencijal.

ENERGIJA OBORINA

367

0

=

F

HhdF

W

H oborina (srednja godinja oborina na povrini dF) [m/god]h pad (visina povrine dF iznad referentne ravnine) [m]dF elementarna povrina [m2]


13/41

13

uvid u raspodjelu po terenu

ocjena otjecanja

dopuna podataka

kontrola

ENERGIJA OTJECANJA

367

= F

FHh

W

koeficijent otjecanja [1]

- ocjena enegije koncentriranih tokova- erozija i ispiranje u kru

ENERGIJA KONCENTRIRANIH TOKOVA Za koritenje vodne snage i energije dostupna je snaga i

energija koncentrirana u vodotocima

Posebno su s energetskog stajalita znaajne dionice skoncentriranim (usredotoenim) padom slapovi, kaskade islino.


14/41

14

Energija jedne elementarne mase

dno

razina vodeM

po

referentna ravnina

z zp1

hh1

h2

W = M g (h1 + v2/2g + h2)

h1 - energija poloaja

h2 - energija pritiska

W = M g (h + v2/2g)

W = M g (h1 + v2/2g + h2 + (po p1)/ g )

po p1 0

v

dE1= P1dt = gQdt (z1+h1+v12/2g) [Ws]

E1 = P1dt [Ws] dE2 = P2dt = gQdt (z2+h2+v2

2/2g) [Ws]E2 = P2dt [Ws]

V12/2g

h1

z1

DhE

V22/2g

h2

z2

L

Energetska linija(specifina energija po jedinici sile)

Na slijedeoj skici prikazan je uzduni profil dionice vodotoka:


15/41

15

dE1= P1dt = gQdt (z1+h1+v12/2g) [Ws]

E1 = P1dt [Ws]

dE2 = P2dt = gQdt (z2+h2+v22/2g) [Ws]E2 = P2dt [Ws]

Oigledno jeE1 E2

Razlika izmeu energije na ulazu i izlazu iz promatrane dionice iznosi:

dE1-2 = dE1 dE2 = gQdt DhE [Ws] (za dt = 1(s)) P1-2 = gQ DhE [W] P1-2 = 9,81 Q DhE [kW]

E1-2 = P1-2dt [kWh] (uz dt [h])

Energija E1-2odgovara radu koji voda obavi u odreenom vremenu kreui se od

profila 1 do profila 2. Rad je obavljen u savladavanju svih otpora na dionici L te napronos nanosa.Iz ove spoznaje proizlazi osnovni princip koritenja snage i energije

vode u prirodi hidrotehnikim graevinama smanjiti rad vode uprirodi i osloboenu energiju iskoristiti za obavljanje nama korisnograda proizvodnju elektrine energije.

Smanjenje rada vode na nekoj dionici u prirodi ostvaruje se:

A) usporavanjem (graevine u vodotoku) Usporavanje se ostvaruje izgradnjom brane, te se na taj nain smanjuju brzine

vode, vuna sila i u konanici se smanjuje rad vode na kretanju od profila 1 doprofila 2 (du dionice).

B) Derivacijom- odvajanjem dijela vode iz vodotoka i njenim provoenjemizgraenim provodnicima. Zahvat se vode ostvaruje na poetku dionice (okoprofila 1) a povrat vode u vodotok se realizira na nizvodnom kraju dionice(profil 2). Provodnici su u pravilu krai od vodotoka i manjih su otpora kretanjuvode, te se na taj nain smanjuje rad vode.

C) Kombinacijom usporavanja i derivacije.

Hidroelektrane, kod kojih se koristi samo usporavanje nazivaju se PRIBRANSKEHIDROELEKTRANE, a ostale koje se ostvaruju derivacijom ili kombinacijomusporavanja i derivacije nazivaju se DERIVACIJSKE HIDROELEKTRANE.

Svaka hidroelektrana (HE) sastoji se od 4 glavne grupe graevina:

zahvata(brana, ulazni ureaj), dovoda, strojarnice i odvoda. (U okviru ranijihkolegija obraene su brane i provodnici dok se ulazni ureaji i strojarniceobrauju u okviru ovog kolegija).


16/41

16

Proraun energije koncentriranog toka

Q [m3/s]

Vrijeme [%]0 100

Qj

hQj

P = 9,81 Qj hQj

hQj P = 9,81 Qj hQj

Krivulja trajanja protoka

tQj

U analizi koritenja vodnih snaga prvo se procjenjujeukupni raspoloivi bruto potencijal. U cilju prouavanjacijelih rijeka uvode se pojednostavljenja, koja dajumogunost bre procjene s manjom ali prihvatljivomtonosti.

Umjesto sa svim protocima priblini se raun provodi sa

srednjim godinjim (Qsr) Umjesto pada energetske linije koristi se pad dna korita

koji je dostupniji na osnovi geodetskih podloga. (Na pr. r. Drava od Legrada do Dunava prema detaljnom

raunu ima prosjenu godinju energiju 2 332 GWh, apreko Qsr2 322 GWh razlika je 0,41%)


17/41

17


18/41

18

usporavanjem

derivacijom

Dionicakoritenja

Dionicakoritenja

zahvat

dovod

strojarnica

odvod

restitucija

Usporedba pribranskog i derivacijskog tipa HE (na osnovi padova)

Pretpostavke: Jednaka visina usporne graevine

Jednaka duina derivacije Razliiti padovi


19/41

19

Zakljuak:

Kod malih padova povoljnije pribransko rjeenje (vei A) Kod veih padova povoljniji derivacijski tip (vei pad za jednaku

duinu derivacije) (vrijedi samo ogranieno kada se uvedu drugi kriteriji mogui su drugaiji

zakljuci)

Hus HusHd1

Hd2

Ld Ld

Dionica koritenja Dionica koritenja

A1A2

I1I2

I1 < I2 A1 > A2Hd1 < Hd2


20/41

20

Neki tipini primjeri vodnih snaga u prirodi

1. prirodne vodne snage

H

H

H

2. Umjetne vodne snage

3. Kombinirani umjetni i prirodni uvjeti

crpljenje

umjetni pad

prirodni pad


21/41

21

Rast potronje energije u svijetu

Vodne snage Hrvatske


22/41

22

Izgradnja hidroelektrana u Hrvatskoj

0

500

1000

1500

2000

2500

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Godine

Snaga(MW)


23/41

23


24/41

24

Potronja i proizvodnja elektrine energije u

Hrvatskoj


25/41

25

Uloga hidroelektrana (HE) u Hrvatskoj


26/41

26

Svijet

Znaajni udio hidro izvora: Kanada 60%

Brazil 94%

Paragvaj 99%

Albanija 83%

Austrija 70% BiH 46%

HR 54%

Norveka 99,2%

vicarska 60%

Island 83%

Manji udio hidro izvora: USA 8%

Mexico 15%

Kina 17%

Rusija 20% Francuska 15%

Maarska 0,5%

Srbija i CG 35

Italija 29%


27/41

27


28/41

28


29/41

29


30/41

30

Uloga HE u Hrvatskoj


31/41

31


32/41

32

Velike HE u svijetu i u nas Prema padu:

Reisseck (Austrija,Drava) 1772 m

Grand Dixance (vicarska) 1748 m/ od 1998. god. 1883 m)


33/41

33

Portillon (Francuska) 1420 m

Hrvatska: Vinodol 660 m

Velebit 550 m

Senj 437 m

Orlovac 404 m

Zakuac 270 m Dubrovnik 290 m

Rijeka 226 m

Prema proizvodnji: Itaipu (Brazil/Paragvaj) 70 TWh/god (pad 120 m) LG2 (La Grande Canada) 38,8 TWh/god U Europierdap 11,4 TWh/god

ukupno Hrvatska 6,6 TWh/god Zakuac (Cetina) 2 TWh/god

Prema snazi: (Three Gorges u gradnji Kina) 25 GW Itaipu 12,87 GW ( u planu poveanje na 21,5 GW) erdap 2,05 GW

Zakuac (0,468 GW); Velebit(0,276); Orlovac(0,237);Dubrovnik(0,240); Senj(0,216); Varadin(0,09);Dubrava (0,076);akovec (0,077); Vinodol (0,070); Kraljevac (0,069); ostale oko 0,04i manje)


34/41

34


--13-17Potronja energije7

0,330,096,6Iskoriteno6

0,560,1511,2Vjerojatno ekonomskiiskoristivo

5

0,640,1712,7Vjerojatno tehnikoiskoristivo

4

10,2720Energija konc. tokova3

1,950,5339Energija otjecanja2

3,65173Energija oborina1

Dio energijekonc. tokova

Dio energijeoborina

Bruto

TWh/god

Prosjeni hidropotencijal


Vjerojatno tehniki iskoristivo 6,1 TWh/god

Samostalno (Hrvatska) 2,93 TWh/god (dio u Hrvatskoj 2,67; dio u BiH aprazlije)

Pogranino 3,17 TWh/god

(od toga se procjenjuje da Hrvatskoj pripada 1,98 TWh/god)


35/41

35

Pribranske hidroelektrane

Akumulacija

Brana

Transformator

Hidroelektrana

Dalekovod

Ulaz Zatvara Provodnik

(dovod)Turbina Izlaz


36/41

36

P= 9,81QHnetot u (kW)

Primjer pribranske HE HEALE (rijekaCetina)

HE ale je pribranska elektranasmjetena na rijeci Cetini 5.8 kmnizvodno od Trilja.

Akumulacija HE ale slui za dnevno izravnanje protoka.Putena je u pogon 1989. god.

Betonska gravitacijska brana visine 40.50 m, zapremnine 3.7 hm3, ukupne duine110.0 m, irine u kruni 8.8 m, a u temelju 52.95 m. Preljev je irine 20.0 mopremljen zatvaraem, dva temeljna ispusta su opremljena regulacijskimploastim zatvaraima, a turbine revizijskim preturbinskim zatvaraima.Strojarnica je smjetena u tijelu brane, opremljena s dvije proizvodne grupe,turbine Kaplan, instalirani protok 220.0 m3/s, pad 21.0 m, instalirana snaga40.8 MW. Srednja godinja proizvodnja HE ale je 107.5 GWh.


37/41

37

Derivacijske hidroelektrane

Derivacijska HE s dovodnim kanalom i tlanim cjevovodom

Dovodni kanal

Kompenzacijskibazen

Tlani cjevovod


38/41

38


Primjer derivacijske HE s dovodnim kanalomHE DUBRAVA (rijeka Drava)

HE Dubrava je vienamjenskaprotono derivacijska hidroelektranadravskog sliva koja predstavljaposljednju stepenicu na dionici Draveod granice Slovenije do utoka Mure.Hidroelektrana energetski koristipotencijal rijeke Drave za proizvodnjuelektrine energije, poveava zatituod poplava, poboljava odvodnju,omoguuje gravitacijsko natapanje

poljoprivrednih povrina te ostvarujeuvjete za razvoj porta i rekreacije.

Tip HE: derivacijska s akumulacijom za dnevno idjelomino tjedno ureenje dotokaUkupna snaga: 76 MWEnergetski podaci:

instalirani protok: Qi = 500m3 /sbrutto pad za: Qi , H= 17,5mmaksimalna snaga: Pmax=76 (2x38)MWkor. volumen akumul.: 16,6 hm3prosjena god. proizvodnja: 350 GWh


39/41

39

Primjer derivacijske HE s tunelskim dovodomsa slobodnim vodnim licem HE MILJACKA

(rijeka Krka)

Opi podaci:poloaj: podruje upanije ibensko kninske na rijeci Krki, 15 km nizvodnood Kninatip hidroelektrane: derivacijskagodina poetka pogona: 1906.

Energetski podaci:instalirani protok: Qi = 30m3/s (3x8 + 1x6)konstruktivni pad: Ht = 102 minstalirana snaga turbina: 24 MW (3x6,4 + 1x4,8)maksimalna godinja proizvodnja: ('81-'97) Emax = 147 GWh ('74)


40/41

40

Derivacijska HE sdovodom/derivacijom pod tlakom

Tlani dovod

Tlanicjevovod



41/41

Tlanicjevovod

Tlani dovodnitunel/AB cjevovod

Primjer derivacijske HE s tunelskim dovodompod tlakom HE VINODOL

Documents

Koristenje vodnih snaga