W Polsce jeszcze w połowie lat 50. było czynnych ponad 6 tysięcy zakładów napędzanych siłą wodną. Później jednak na skutek niesprzyjającej polityki państwa nastąpiła prawie całkowita likwidacja zakładów i elektrowni wodnych. W ostatnich latach następuje ponowny jej rozwój.

Elektrownie wodne dzieli się na: duże i małe, przyjmując, że małe elektrownie wodne (MEW) to te o mocy zainstalowanej poniżej 5 MW. MEW są zaliczane do niekonwencjonalnych, odnawialnych i ekologicznych źródeł energii. Duże elektrownie wodne są natomiast często traktowane jako konwencjonalne źródło energii, a duży stopień ingerencji w środowisko naturalne sprawia, że nie można ich określić mianem ekologicznych. MEW mogą wykorzystywać potencjał rzek, rolniczych zbiorników retencyjnych, systemów nawadniających, wodociągowych, kanalizacyjnych i kanałów przerzutowych. Warunkiem otrzymania dużej mocy jest koncentracja na możliwie ograniczonym obszarze dużej różnicy poziomów i dużego strumienia przepływu wody.

Dlaczego mew?

Małe elektrownie wodne mogą mieć zastosowanie w wielu dziedzinach, ponieważ:

  • są przede wszystkim źródłem taniej, ekologicznej energii elektrycznej,
  • pozwalają na oszczędność paliw, takich jak węgiel i ropa naftowa,
  • nie zanieczyszczają środowiska naturalnego,
  • mogą być instalowane na małych ciekach wodnych,
  • są elementem systemu regulacji stosunków wodnych, poprawiają wilgotność gleb i poziom wód gruntowych,
  • tworzą system zbiorników retencyjnych,
  • poprawiają jakość wody poprzez oczyszczanie mechaniczne na kratach wlotowych do turbin pływających zanieczyszczeń,
  • zwiększają natlenienie wody, co poprawia jej zdolność do samooczyszczenia biologicznego,
  • korzystnie wpływają na system elektroenergetyczny poprzez poprawę parametrów sieci rozdzielczej niskiego i średniego napięcia,
  • energia elektryczna wykorzystywana jest przez odbiorców z najbliższego otoczenia – eliminuje straty podczas przesyłania, rozdzialania i transformacji,
  • mogą być zaprojektowane i wybudowane w ciągu jednego roku, wyposażenie jest dostępne powszechnie, a technologia opanowana,
  • prostota techniczna powoduje wysoką niezawodność i długą żywotność,
  • są proste w obsłudze wynikającej z automatyzacji obiektów i niedrogie w eksploatacji.

Dla rolnictwa, będącego głównym odbiorcą energii pochodzącej z MEW, bardzo ważna jest pewność zasilania z niezależnych źródeł energii, jaką takie rozwiązanie gwarantuje. Budowa MEW zapewnia wyeliminowanie strat wynikających z przerw w dostawach energii z sieci zawodowej. Zważywszy, że aktualnie rolnictwo zużywa ok. 6 proc. energii elektrycznej w kraju, ta pochodząca z MEW nie byłaby dla niego mało istotna.

Zasada działania

Na początku woda w ujęciu zostaje pozbawiona wszystkich zbędnych elementów w niej płynących, jak np.: gałęzie, liście, papiery, itp. Nastepnie musi się odstać w specjalnym zbiorniku magazynującym umieszczonym pod ziemią. W tym miejscu piasek i śmieci, które nie zostały usunięte przy ujęciu, opadają na dno. Zbiornik automatycznie oczyszcza się co pewien czas z nagromadzonego materiału rzecznego. Pozwala on na pracę elektrowni bez dostarczania wody przez strumień przez kilka godzin w zależności od zainstalowanej mocy i wielkości zbiornika. Oczyszczona woda dostaje się do budynku elektrowni. Uderzając w łopatki turbiny, napędza ją, ta z kolei napędza generator wytwarzający energię elektryczną. Po tym procesie woda jest doprowadzana do ujścia i trafia do strumienia, z którego została pobrana.

W zależności od sposobu doprowadzenia wody do turbiny rozróżnia się elektrownie przyjazowe (przyzaporowe) i derywacyjne, w których woda jest doprowadzana kanałami i rurociągami ciśnieniowymi. W MEW można wyróżnić następujące urządzenia i układy technologiczne: ciąg wodny, blok energetyczny, układy regulujące.

Konstrukcja urządzeń hydrotechnicznych w  MEW nie jest skomplikowana, a budynki małych elektrowni mają niewielkie gabaryty. Podstawowym zespołem elektrowni wodnej jest budowla wodna i blok elektrowni, składający się z urządzeń mechanicznych, instalacji elektrycznej i obudowy (budynku). W skład budowli wodnej wchodzą: budowla piętrząca wodę (jazy), kanały, rurociągi do- i odprowadzające wodę, komory wyrównawcze, przelewy, spusty i urządzenia kontrolno-pomiarowe budowli wodnej. Najważniejszymi urządzeniami w małych elektrowniach wodnych są: turbina, prądnica, układ regulacji lub sterowania turbozespołu i przekładnie. W warunkach Polski ze względu na przewagę cieków wodnych o niewielkich spadach i na konstrukcję wirnika (i związany z tym charakterystyczny sposób przetwarzania energii) w małych elektrowniach wodnych najczęściej stosowane są turbiny: Francisa o poziomym lub pionowym wale, Kaplana i Banki Michella.

Sprawność elektrowni wodnych  (zdolność przekształcania jednej energii w inną) zależy od zmiennych warunków przepływu i wynosi 30–95 proc. w zależności od ilości przepływającej wody, spadku i typu turbiny. Najtańszą hydroelektrownią dla własnych potrzeb jest koło wodne, wyposażone w przekładnie pasowe i prądnicę. Sprawność takiego urządzenia energetycznego jest stosunkowo wysoka i dochodzi do 75 proc.

O sposobie konstrukcji układu mechanicznego turbozespołu decyduje turbina. Ma ona także istotny wpływ na rozwiązanie konstrukcyjne samego obiektu hydrotechnicznego, a zwłaszcza jej części przepływowej. Decyduje o efektach produkcyjnych turbozespołu, a także o jego właściwościach eksploatacyjnych. Turbina wodna jest maszyną wirnikową, hydrauliczną, przetwarzającą energię płynącej wody na energię kinetyczną wirujących mas, przekazywaną przez wał maszyny. Podstawowymi elementami turbiny są: wirnik z wałem turbiny i układem kierowniczym, łożyska nośne i prowadzące oraz korpus turbiny. Właściwy dobór parametrów turbiny decyduje o sukcesie ekonomicznym elektrowni. Zastosowanie nawet najlepszych turbin renomowanych firm zachodnich niewłaściwie dobranych do rzeczywistych warunków powoduje, że elektrownia nie osiągnie zaplanowanej produkcji.

Zadaniem elektrowni wodnej jest produkcja maksymalnej ilości energii elektrycznej możliwej do uzyskania z istniejącego potencjału hydroenergetycznego. W MEW jako generatory elektryczne stosowane są prądnice trójfazowe prądu przemiennego synchroniczne i asynchroniczne o napięciach 0,4 do 6,3 kV. Prądnice synchroniczne (rzadko wykorzystywane) to urządzenia wolnoobrotowe z jawnymi biegunami o zakresie prędkości obrotowej 50–600 obr./min. i mocy od kilkudziesięciu do 50000 kW. Charakteryzują się dużą elastycznością pracy, nadają się do pracy przy zmiennych wielkościach przepływu i znacznych wahaniach poziomów wody. Generatory asynchroniczne są zwykle typowymi silnikami indukcyjnymi, stosowanymi w MEW, o mocy mniej więcej 250 kW i prędkości obrotowej w granicach 500–1000 obr./min. Mają prostszą konstrukcję, są lżejsze i tańsze od generatorów synchronicznych, a ponadto nie wymagają regulacji napięcia i synchronizacji. Zbędna jest zatem cała aparatura potrzebna do tych procesów, skutkiem czego układy sterowania elektrowni asynchronicznej są znacznie prostsze i tańsze od automatyki elektrowni synchronicznej. Przy doborze prądnicy dla projektowanego turbozespołu należy starać się o prądnicę o małej synchronicznej prędkości obrotowej, a także należy właściwie dobrać moc prądnicy do osiąganej przez turbinę. Bardzo często w budowanych elektrowniach instalowane są prądnice przewymiarowane, nawet kilkakrotnie.

Regulatory

Elektrownia wodna może posiadać pełną automatyzację z regulacją turbozespołu w zależności od ilości wody będącej do dyspozycji dla osiągnięcia maksymalnej produkcji energii elektrycznej. Funkcja ta jest realizowana na podstawie pomiaru poziomu wody górnej i przepływu w danej chwili. W wypadku pracy na sieć wydzieloną trzeba tak regulować otwarcie przełyku, aby stabilizować obroty turbiny – w celu utrzymywania stałej częstotliwości generatora. Stosuje się wtedy regulator prędkości. Przy współpracy elektrowni z siecią stosuje się natomiast regulator mocy, współpracujący z czujnikiem poziomu górnej wody, czyli od dopływu wody do elektrowni. Częstotliwość jest wtedy utrzymywana przez sieć, a zadanie regulatora to taka zmiana otwarcia przełyku, aby poziom górnej wody był wysoki i zbytnio się nie zmieniał. A zatem, w zależności od warunków wodnych, regulator zmienia wytwarzaną moc.

Optymalnym rozwiązaniem turbozespołu okazuje się układ bezpośredniego połączenia turbiny z prądnicą. Warunki do realizacji takiego układu występują wówczas, gdy normalna prędkość turbiny jest równa lub zbliżona do prędkości obrotowej prądnicy. W pozostałych wypadkach przy przeniesieniu napędu z turbiny o mniejszej prędkości obrotowej na prądnicę trzeba zastosować odpowiednią przekładnię zębatą lub pasową.

Źródło: "Farmer" 21/2007