Naturalne źródło energii WODA autorka: Helena Szczechura 3c

Energia wodna Wykorzystywana gospodarczo energia mechaniczna płynącej wody. Współcześnie energię wodną zazwyczaj przetwarza się na energię elektryczną (hydroenergetyka, często oparta na spiętrzeniach uzyskanych dzięki zaporom wodnym). Można ją także wykorzystywać bezpośrednio do napędu maszyn – istnieje wiele rozwiązań, w których płynąca woda napędza turbinę lub koło wodne. Przed wynalezieniem maszyn elektrycznych i upowszechnieniem elektroenergetyki energię wodną powszechnie wykorzystywano do napędu młynów, foluszów, kuźni, tartaków i innych zakładów przemysłowych. W latach 30. XIX wieku, w szczytowym okresie rozwoju transportu rzecznego, napęd wodny stosowano przy przemieszczaniu barek po pochylniach pomiędzy odcinkami kanałów na różnych poziomach (pochylnie takie zachowały się do dziś na Kanale Ostródzko-Elbląskim). Energia wodna może być znacznie tańsza od spalania paliw kopalnych lub energii jądrowej. Obszary bogate w energię wodną przyciągają przemysł niskimi cenami elektryczności. W niektórych krajach o wykorzystaniu energii wodnej zaczynają decydować względy ekologiczne (troska o ochronę środowiska), przeważając nad kalkulacją cen.

Podstawy fizyczne Źródło energii wodnej ocenia się według dostępnej mocy, to jest energii uzyskiwanej w jednostce czasu. Przy wykorzystaniu wody spadającej z pewnej wysokości dostępna moc wiąże się ze spadkiem hydraulicznym (wysokością, z jakiej spływa woda), przepływem (ilością wody spływającej w jednostce czasu) i zazwyczaj również z prędkością przepływu. W przypadku gdy woda spływa ze zbiornika (jezioro, spiętrzenie), spadkiem hydraulicznym jest różnica poziomów pomiędzy lustrem wody w zbiorniku górnym i wylotem turbiny, ponieważ ciśnienie hydrostatyczne u podstawy wynika wprost z wysokości słupa wody. Energia potencjalna E, uwalniana podczas spadku ciała o masie m z wysokości h w polu grawitacyjnym o przyspieszeniu g wynosi E = mgh. Elektrownia wodna wykorzystuje energię uwalnianą podczas sterowanego spadku wody z ustalonej wysokości. Energia wyzwolona w ustalonym czasie t wynika więc z ilości spuszczonej w tym czasie wody: Podstawiając symbol mocy P za E / t i wyrażając stosunek m / t przez natężenie przepływu i gęstość wody, dochodzimy to standardowej postaci tego wyrażenia: P = ρSgh gdzie S oznacza natężenie przepływu, liczone jako objętość wody wypuszczanej w jednostce czasu, zaś ρ jest gęstością wody. W układzie jednostek miar SI gęstość ρ wyraża się w kg / m3, przepływ S w m3 / s, przyspieszenie g w m / s2, wysokość h w metrach, i moc P w watach. Niektóre urządzenia, np. koło wodne podsiębierne, wykorzystują energię przepływającej wody, nie wymagając do działania dużego spadku wody. W tym przypadku wyzyskuje się energię kinetyczną przepływającej wody. Teoretycznie maksymalna moc takiego źródła wynosi: gdzie v oznacza prędkość wody. Taka wydajność jest w rzeczywistości nieosiągalna, gdyż odzyskanie całej energii kinetycznej wody oznaczałoby jej zatrzymanie. Faktycznie dostępna moc wynika więc ze stopnia spowolnienia wody przez koło (różnicy średniej prędkości v przepływu wody bezpośrednio przed i za kołem). Koła wodne nasiębierne i śródsiębierne wykorzystują zarówno energię potencjalną i kinetyczną strumienia wody.

Elektryczność z pływów morza Energię pływów morza (przypływ i odpływ) wykorzystywano od setek lat. W XVIII w. wybrzeże Europy usiane było młynami pływowymi, w których wody przypływu wpuszczano przez otwarte śluzy do zbiornika retencyjnego. W szczytowym momencie przypływu śluzy zamykano, podczas odpływu woda mogła się więc przedostać tylko przez koło wodne. Dzięki temu napędzała je i wprawiała w ruch obrotowy. Tę samą zasadę zastosowano w latach 60. przy budowie elektrowni we Francji. W poprzek ujścia rzeki Rance koło Saint-Malo w Bretanii wzniesiono tamę wyposażoną w 24 maszyny, które mogą działać jako turbiny w obu kierunkach. Wody przypływu spiętrzane są na zaporze do momentu, gdy różnica ich poziomu między dwiema stronami tamy wynosi 1,5 m. Potem woda przepływa przez turbiny, wprawia je w ruch i wytwarza energię elektryczną. Gdy następuje odpływ, łopatki turbiny odwraca się i woda znów wytwarza energię. Przy maksymalnym przypływie śluzy zamyka się i do ujścia rzeki pompuje dodatkowo wodę morską. Poziom wody w rzece przekracza poziom przypływu, gdy zatem następuje odpływ, różnica poziomów zwiększa się. Po spłynięciu wody do morza i wprawieniu turbin w ruch, z estuarium wypompowuje się wodę, sztucznie obniżając poziom wody w rzece. Oczywiście przy pompowaniu także zużywa się energię elektryczną, lecz zwiększenie spadku wody pozwala wytworzyć energię w ilościach znacznie przewyższających jej zużycie przez pompy. Elektrownia w La Rance wytwarza w szczycie 240 MW energii elektrycznej, co pokrywa potrzeby średniej wielkości miasta, takiego jak Rennes lub Caen. Mimo to nie znalazła ona zbyt licznych naśladowców. Wysokie koszty budowy tam i trudności z wyszukaniem odpowiedniej lokalizacji zniechęciły prawie wszystkich, oprócz Rosjan i Kanadyjczyków. W zatoce Bay of Fundy w Nowej Szkocji występuje największa na świecie różnica poziomów wody podczas przypływu i odpływu – 18 m. W 1984 r. w Annapolis Royal otwarto pilotażową hydroelektrownię u wejścia do zatoki. Gdyby udało się okiełznać siłę pływów na całej szerokości zatoki, ilość wytworzonej energii elektrycznej przekroczyłaby dziesięciokrotnie lokalne zapotrzebowanie. Nadwyżki energii mogły by zostać wykorzystane w Nowej Anglii i Nowym Jorku. Specjaliści uważają, że dalsze prace nad tym projektem są tylko kwestią czasu.

Elektrownia wodna Elektrownia wodna to zakład przemysłowy zamieniający energię spadku wody na elektryczną. Elektrownie wodne dzieli się na: "duże" i "małe", przyjmując, że małe elektrownie wodne (określane skrótem MEW) to te o mocy poniżej 5 MW. Podział ten jest dość umowny (w Skandynawii i Szwajcarii granicą są 2 MW, a w USA 15 MW), ale dość ważny, gdyż MEW są zaliczane do niekonwencjonalnych, odnawialnych i ekologicznych źródeł energii. Natomiast duże elektrownie wodne są tak na świecie rozpowszechnione (20% światowej produkcji energii elektrycznej), że traktowane są często jako konwencjonalne źródło energii, a duży stopień ingerencji w środowisko naturalne powstrzymuje wielu badaczy od nazywania dużych elektrowni wodnych ekologicznymi. Zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na 13,7 TWh rocznie, z czego 45,3% przypada na Wisłę, 43,6% na dorzecza Wisły i Odry, 9,8% na Odrę i 1,8% na rzeki Pomorza, przy czym same elektrownie na rzekach pomorskich zapewniały przed II wojną światową energię elektryczną portowi morskiemu w Gdyni, Kartuzom oraz Gdańskowi i jego okolicom, co daje wyobrażenie jak duży potencjał mają elektrownie wodne. Obecnie Polska wykorzystuje swoje zasoby hydroenergetyczne jedynie w 12%, co stanowi 7,3% mocy zainstalowanej w krajowym systemie energetycznym (dla porównania Norwegowie, rekordziści w tej dziedzinie, uzyskują z energii spadku wody 98% energii elektrycznej). Elektrownie wodne można podzielić na elektrownie przepływowe produkujące energię elektryczną oraz elektrownie szczytowo-pompowe, które służą głównie do magazynowania energii elektrycznej wyprodukowanej w inny sposób. Większe elektrownie wodne na świecie Największą elektrownią wodną na świecie jest wybudowana w 1983 roku elektrownia na tamie Itaipu na Paranie na granicy państw Brazylii i Paragwaju. Elektrownia ma maksymalną moc 12 600 MW a produkuje rocznie 93.4 TW*h energii. Nieco mniejsze są: Grand Coulee na rzece Kolumbia w USA (10,080 MW) i Guri, Raul Leoni na rzece Coroni w Wenezueli (10,060 MW). Największą budowaną tamą z hydroelektrownią jest budowana w Chinach Zapora Trzech Przełomów. Budowę zapory ukończono 20 maja 2006 r., elektrownia już częściowo pracuje, trwa napełnianie zbiornika i wyposażanie elektrowni, ukończenie jest planowane na rok 2009. Po ukończeniu 26 generatorów o łącznej mocy 18,2 GW ma produkować rocznie około 84,7 TWh (terawatogodzin) energii

Elektrownie i generatory prądu w elektrowni Powrót do poprzedniego slajdu Ciąg dalszy prezentacji

Koło wodne Koło mające na obwodzie łopatki lub przegrody, poruszane siłą naporu wody, poprzednik turbiny wodnej. Najczęściej wykorzystywane do napędu młynów wodnych i dawnych zakładów przemysłowych: tartaków, kuźni. Zależnie od sposobu zasilania dzielimy na : nasiębierne (wykorzystuje głównie energię potencjalną wody) o największej wydajności, śródsiębierne (wykorzystuje energię potencjalną i kinetyczną wody), podsiębierne (wykorzystuje głównie energię kinetyczną wody) Znane jest od I w. p.n.e. W niektórych krajach Bliskiego Wschodu i Azji Południowo-Wschodniej koła wodne używane są do podnoszenia wody. Jest to zapewne najstarsza maszyna poruszana siłą wody. Składa się ona z dużego koła wodnego o średnicy do 20 m, do którego są przymocowane drewniane lub gliniane czerpaki - wraz z obrotem koła, czerpaki podnoszą wodę w górę. Koła takie do tej pory czerpią wodę na przykład z rzeki Asi w Syrii, przelewając ją do akweduktów, którymi woda jest prowadzona na pola. Stosuje się je także w innych krajach Bliskiego Wschodu, jeszcze używa się je w Hercegowinie, gdzie wprowadzili je Turcy. W Wietnamie są stosowane koła o średnicy 10-15 m, zbudowane całkowicie z bambusa.

Rodzaje kół wodnych Powrót do poprzedniego slajdu Ciąg dalszy prezentacji

Turbina wodna Turbina wodna (turbina hydrauliczna) - silnik wodny przetwarzający energię mechaniczną wody na ruch obrotowy za pomocą wirnika z łopatkami. Stosowana głównie w elektrowniach wodnych do napędu prądnic. Zalicza się do: silników hydrokinetycznych; silników przepływowych. Turbiny wodne dzielimy na: akcyjne turbina Peltona, w której wirnik z wklęsłymi łopatkami zasilany jest stycznie strumieniem wody z dyszy; stosowana przy dużych spadkach. reakcyjne turbina Francisa - dla średnich spadków turbina Kaplana, turbina śmigłowa - dla małych spadków turbina Tesli, turbina talerzowa - szczególny przypadek turbiny hydraulicznej Poprzednikiem i wzorem dla turbin wodnych było koło wodne. Skonstruował ją B. Fourneyron w 1827

Turbina wodna Powrót do poprzedniego slajdu Koniec prezentacji