Większość powierzchni Ziemi pokryta jest wodami. Są to w większości wody oceaniczne i morskie, ale także cieki śródlądowe. Stąd też obecność wody na Ziemi ludzie od wieków próbowali wykorzystać na własne cele. Początkowo energia wód przetwarzana była na energię mechaniczną wykorzystywaną na przykład do napędzania młynów, a z czasem także do produkcji energii elektrycznej.  

 

Zarys historyczny

 

Woda płynąca w rzekach wykorzystywana była między innymi przez ludzi do irygowania (nawadniania) pól uprawnych. Wykorzystywana do tego była tak zwana Noria (rys. 1) składająca się z pionowego koła, zanurzonego częściowo w płynącym cieku, poruszanego siłą nurtu rzeki. Do takiego koła przymocowane były czarki służące do podnoszenia wody. Pierwsze urządzenia, przetwarzające energię płynącej wody wykorzystywane przez ludzi, były prostymi urządzeniami zwanymi kołami wodnymi. Wśród tych urządzeń wymienić można trzy rodzaje kół wodnych: podsiębierne – poruszane przez prąd przepływającej rzeki, śródsiębierne – poruszane przez wodę napływającą w połowie średnicy koła oraz nasiębierne – poruszane przez wodę opadającą na jego zakrzywione łopatki (rys. 2). Z biegiem lat urządzenia przetwarzające energię płynących wód zaczęły towarzyszyć produkcji energii elektrycznej. Pierwszą turbinę wodną produkującą energię elektryczną skonstruował B. Fourneyron w 1827 roku (Hoffmann, 1992 r.). Była to turbina z promieniowym przepływem wody.

 

Przez następne lata trwały prace nad ulepszaniem turbiny wodnej. Prace te przyczyniły się do wynalezienia w 1849 roku turbiny o przepływie osiowo-promieniowym, a jej konstruktorem był J. Francis. Początkowe turbiny Francisa miały nieruchomy aparat kierowniczy. Dopiero w 1859 roku opracowano przestawne łopatki kierownicy, umożliwiając regulację mocy turbiny. Turbiny Francisa wykorzystywane są do dzisiaj i najlepiej pracują przy spadach od 5 do 500 m. Wirnik turbiny składa się z dwóch kolistych obręczy i przymocowanych do nich łopatek. Regulacja mocy turbiny odbywa się poprzez odpowiednie nastawienie łopat kierownicy, zmniejszając lub zwiększając przepływ wody przez turbinę. Regulacja odbywa się za pomocą pierścienia regulacyjnego.

 

Koło wodne nasiębierne środsiębierne podsiębierne

 

Rodzaje turbin wodnych i elektrowni wodnych

Kolejną turbiną reakcyjną jest turbina skonstruowana w 1912 roku przez W. Kaplana. Jest to turbina typu śmigłowego z regulacją zarówno łopat wirnika, jak i łopat aparatu kierowniczego. Mechanizm odpowiedzialny za ustawienie kąta łopat wirnika sprzężony jest z mechanizmem odpowiedzialnym za ustawienia łopat kierownicy, tak aby możliwe było osiągnięcie najwyższych sprawności. Turbiny te stosowane są dla spadów do 75 m. Do turbin reakcyjnych zaliczyć też możemy turbinę Deriaza, w której łopaty wirnika pochylone są pod pewnym kątem względem poziomu. Kąt stosowany w konstrukcji turbiny Deriaza to 30°, 45° lub 60°, a liczba łopat mieści się w przedziale od 3 do 6. Turbiny Deriaza stosowane są przy spadach od 13 do 300 m. Kolejnym typem turbin stosowanych w sektorze energii wodnej są tak zwane turbiny akcyjne, czyli natryskowe, gdzie ciśnienie wody napędzającej wirnik równe jest ciśnieniu atmosferycznemu. W turbinach akcyjnych wykorzystywana jest energia kinetyczna wody, która w aparacie kierującym przetwarzana jest na energię prędkości. Jedną z turbin akcyjnych jest turbina Peltona, skonstruowana po raz pierwszy w 1984 roku. Wirnik turbiny zbudowany jest z promieniście rozlokowanych czarek, na które kierowany jest strumień…..

 

zobacz także:

Wykorzystanie fal morskich

 

Wojciech Luboń
Grzegorz Pełka
Redakcja GLOB Energia
AGH KSE

Czytaj całość w GlobEnergia 3/2011

okładka-globenergia-3-2011Image95