aZÉ-Å UY]²»9 Å `d »ñ fÿJw½C×oÞÿh í2ªÙzºF¿o§¼à 2Å ð h Ú åÎ ...s fizikalnimi lastnostmi, ki so pomembnejše za proizvodnjo električne energije. Četrto poglavje

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO

ODDELEK ZA TEHNIKO

DIPLOMSKO DELO

SIMON BREG

MARIBOR 2009


ODDELEK ZA TEHNIKO

DIPLOMSKO DELO

ENERGIJA VODE OD KONVENCIONALNIH DO ALTERNATIVNIH VIROV

MENTOR: KANDIDAT: DR. BORIS ABERŠEK SIMON BREG

MARIBOR 2009

ZAHVALA Mentorju dr. Borisu Aberšku se iskreno zahvaljujem za nasvete in pomoč pri izdelavi diplomskega dela. Zahvalil bi se tudi družini, še posebej svakinji Mariji in bratu Miranu, ki sta mi omogočila študij in mi stala ob strani. Hvala tudi moji Mateji.


IZJAVA Podpisani Simon Breg, rojen 25. 07. 1980, študent Fakultete za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru, smer biologija in proizvodno tehnična vzgoja, izjavljam, da je diplomsko delo z naslovom

ENERGIJA VODE OD KONVENCIONALNIH DO ALTERNATIVNIH VIROV

pri mentorju dr. Borisu Aberšku avtorsko delo. V diplomskem delu so uporabljeni viri in literatura korektno navedeni; teksti niso prepisani brez navedbe avtorjev.

SIMON BREG Maribor 2009

POVZETEK

Diplomska naloga je namenjena razlagi in raziskavi pridobivanja električne energije na

osnovi obnovljivega vira energije, vode. V uvodu je na kratko predstavljen razvoj

koriščenja vodne energije skozi zgodovino. Drugo poglavje govori o obnovljivih in

neobnovljivih virih energije. V tretjem poglavju se srečamo z lastnostmi vode, predvsem

s fizikalnimi lastnostmi, ki so pomembnejše za proizvodnjo električne energije. Četrto

poglavje govori o zgradbi in delovanju nam znanih klasičnih hidroelektrarn. Peto, šesto,

sedmo in osmo poglavje predstavljajo novejše oblike koriščenja vodne energije, ki se

nanašajo predvsem na ogromne kapacitete energije morja, in okoljevarstvo. Vodni

motor na reaktivni pogon je predstavljen v devetem poglavju. Deseto poglavje govori o

vplivu hidroelektrarn na okolje in enajsto o nastopu v osnovni šoli.

Ključne besede:

Hidroelektrarna, voda, turbina, viri energije, mala hidroelektrarna,

hidroelektrarna na valovanje morja, hidroelektrarna na plimovanje,

hidroelektrarna na toploto morja, hidroelektrarna na tokove morja, OWC,

Tapchan, Wave roller, Salterjeva račka, AWS, OTEC, vodni motor na reaktivni

pogon.

ZUSAMMENFASSUNG

Das Zeil dieser Diplomarbeit ist die Erklärung und die Erforschung der

Energiegewinnung auf der Basis einer regenerativen Energiequelle, dem Wasser. In der

Einleitung wird kurz beschrieben, wie sich die Energiegewinnung aus dem Wasser durch

die Geschichte entwickelte. Das zweite Kapitel befasst sich mit regenerativen und nicht

regenerativen Energiequellen. Im dritten Kapitel befasse ich mich mit den

Eigenschaften des Wassers, vor allem mit physikalischen Eigenschaften, die für die

Herstellung von Elektrizität von größerer Bedeutung sind. Das vierte Kapitel befasst

sich mit klassischen, uns besser bekannten Wasserkraftwerken, deren Struktur und

Funktionsweise. Das fünfte, sechste, siebte und achte Kapitel befassen sich mit neueren

Arten der Energiegewinnung aus dem Wasser – hier werden vor allem riesige

Energiekapazitäten der Meere behandelt als auch der Umweltschutz. Im neunten

Kapitel wird ein Wassermotor mit Düsentriebwerk näher vorgestellt. Das zehnte Kapitel

befasst sich mit den Einflüssen der Wasserkraftwerke auf die Umwelt und das letzte,

elfte, Kapitel beinhaltet die Lehrprobe in einer Grundschule.

Schlüsselwörter:

Wasserkraftwerk, Wasser, Turbine, Energiequellen, kleines Wasserkraftwerk,

Wellenkraftwerk, Gezeitenkraftwerk, Wasserkraftwerk, betrieben durch die

Seetemperatur, Wasserkraftwerk, betrieben durch die Seeströmungen, OWC,

Tapchan, Wave roller, Salter-Ente, AWS, OTEC, Wassermotor mit

Düsenantrieb.

KAZALO VSEBINE

1 UVOD........................................................................................................- 11 - 1.1 IZRABA VODNE ENERGIJE V PRETEKLOSTI.................................. - 11 -

2 VIRI ENERGIJE ..................................................................................... - 14 - 2.1 NEOBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE............................................................ - 14 - 2.2 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE .................................................................. - 15 -

3 LASTNOSTI VODE ................................................................................ - 17 - 3.1 FIZIKALNE IN KEMIJSKE LAStNOSTI VODE................................... - 17 - 3.2 KROŽENJE VODE V NARAVI.................................................................. - 18 - 3.3 PLIMOVANJE .................................................................................................. - 19 - 3.4 VALOVANJE VODE...................................................................................... - 21 -

4 HIDROELEKTRARNE.......................................................................... - 24 - 4.1 ZGRADBA HIDROELEKTRARNE........................................................... - 24 -

4.1.1 Deli hidroelektrarne ............................................................................................ - 24 - 4.1.2 Vrste turbin........................................................................................................ - 30 -

4.1.2.1 Bankijeva turbina ..................................................................................................- 31 - 4.1.2.2 Peltonova turbina ...................................................................................................- 31 - 4.1.2.3 Francisova turbina .................................................................................................- 32 - 4.1.2.4 Kaplanova turbina..................................................................................................- 34 -

4.2 DELOVANJE HIDROELEKTRARN......................................................... - 35 - 4.3 VRSTE HIDROELEKTRARN...................................................................... - 38 -

4.3.1 Pretočne hidroelektrarne....................................................................................... - 38 - 4.3.1.1 Stebrski tip ............................................................................................................- 39 - 4.3.1.2 Kanalski tip...........................................................................................................- 39 - 4.3.1.3 Rečni tip.................................................................................................................- 39 -

4.3.2 Akumulacijske hidroelektrarne ........................................................................... - 40 - 4.3.2.1 Kaverniški tip ........................................................................................................- 40 - 4.3.2.2 Visokotlačna hidroelektrarna s površinsko zgradbo................................................- 40 - 4.3.2.3 Prečrpovalne hidroelektrarne ...................................................................................- 40 - 4.3.2.4 Hidroelektrarna z občasnim pretokom....................................................................- 41 -

4.3.3 Male hidroelektrarne ........................................................................................... - 41 - 4.4 HIDROELEKTRARNE V SLOVENIJI...................................................... - 44 -

5 HIDROELEKTRARNE NA VALOVANJE MORJA............................. - 48 - 5.1 NAPRAVE, KI IZKORIŠČAJO VALOVANJE ........................................ - 48 -

5.1.1 Pritrjene naprave ................................................................................................. - 48 - 5.1.1.1 Nihajoči vodni stolp ( Oscilating water column – OWC)........................................- 48 - 5.1.1.2 Sistem konusnega kanala (Tapered channel systems – Tapchan)............................- 50 - 5.1.1.3 Valovni valjar (Wave Roller) .................................................................................- 51 -

5.1.2 Plavajoče naprave ................................................................................................ - 52 - 5.1.2.1 Morska kača (Pelamis) ..........................................................................................- 52 - 5.1.2.2 Salterjeva račka ( Salter duck) ...............................................................................- 53 -

5.1.2.3 Valovni zmaj (Wave dragon) .................................................................................- 54 - 5.1.2.4 Arhimedovo valovno nihalo (Archimedes wave swing – AWS) ...............................- 55 - 5.1.2.5 Mogočni kit (The mighty whale)..............................................................................- 56 - 5.1.2.6 Energijska boja (Power buoy) .................................................................................- 57 -

5.2 PREDNOSTI IN SLABOSTI......................................................................... - 58 - 6 HIDROELEKTRARNE NA PLIMOVANJE MORJA........................... - 59 -

6.1 BAZENI Z ENOSMERNO DELUJOČIMI TURBINAMI..................... - 59 - 6.2 BAZENI Z DVOSMERNO DELUJOČIMI TURBINAMI..................... - 60 - 6.3 PREDNOSTI IN SLABOSTI......................................................................... - 62 -

7 HIDROELEKTRARNE NA TOPLOTNO ENERGIJO MORJA ........ - 63 - 7.1 PREDNOSTI IN SLABOSTI......................................................................... - 64 -

8 HIDROELEKTRARNE NA MORSKE TOKOVE ................................ - 65 - 8.1 PREDNOSTI IN SLABOSTI......................................................................... - 66 -

9 VODNI MOTORJI NA REAKTIVNI POGON ..................................... - 67 - 10 VPLIV HIDROELEKTRARN NA OKOLJE ......................................... - 68 - 11 PREDSTAVITEV V OSNOVNI ŠOLI.................................................... - 69 -

11.1 HIDROELEKTRARNA FALA..................................................................... - 69 - 11.2 PREDSTAVITEV V POWERPOINTU ...................................................... - 71 -

12 ZAKLJUČEK ............................................................................................ - 82 - 13 VIRI IN LITERATURA .......................................................................... - 83 -

KAZALO SLIK

slika 1: Sakija......................................................................................................................................... - 12 - slika 2: Graf predvidenih zalog neobnovljivih virov v letih.......................................................... - 15 - slika 3: Raba virov energije v preteklosti, sedanjosti in prihodnosti ............................................ - 16 - slika 4: Agregatna stanja vode............................................................................................................ - 17 - slika 5: Položaj atomov v vodni molekuli ........................................................................................ - 18 - slika 6: Hidrološki krog....................................................................................................................... - 18 - slika 7: Tabela padavin na kontinentih ............................................................................................. - 19 - slika 8: Plimovanje ............................................................................................................................... - 20 - slika 9: Najprimernejše lokacije za postavitev elektrarn na plimovanje ...................................... - 21 - slika 10: Sinusoidno nihanje vodnega vala....................................................................................... - 21 - slika 11: Potencial energije valov....................................................................................................... - 23 - slika 12: Jez............................................................................................................................................ - 25 - slika 13: Zajetje na površini................................................................................................................ - 25 - slika 14: Zajetje pod površino............................................................................................................ - 26 - slika 15: Oblike zapornic .................................................................................................................... - 26 - slika 16: Dovod .................................................................................................................................... - 27 - slika 17: Vodna komora ...................................................................................................................... - 27 - slika 18: Tlačni cevovod...................................................................................................................... - 28 - slika 19: Vtok........................................................................................................................................ - 28 - slika 20: Iztok........................................................................................................................................ - 29 - slika 21: Strojnica ................................................................................................................................. - 29 - slika 22: Bankijeva turbina in njeno delovanje ................................................................................ - 31 - slika 23: Zgradba Peltonove turbine in delovanje .......................................................................... - 32 - slika 24: Peltonova turbina ................................................................................................................. - 32 - slika 25: Zgradba in delovanje šob pri Peltonovi turbini............................................................... - 32 - slika 26: Zgradba in delovanje Francisove turbine ......................................................................... - 33 - slika 27: Francisova turbina................................................................................................................ - 33 - slika 28: Zgradba in delovanje Kaplanove turbine ......................................................................... - 34 - slika 29: Kaplanova turbina................................................................................................................ - 34 - slika 30: Izbira turbine glede na netopadec vode in pretoka vode............................................... - 35 - slika 31: Sestavni deli hidroelektrarne............................................................................................... - 35 - slika 32: Delovanje hidroelektrarne................................................................................................... - 37 - slika 33: Predvidena proizvodnja električne energije za male hidroelektrarne........................... - 43 - slika 34: Zgradba male hidroelektrarne ............................................................................................ - 43 - slika 35: Hidroelektrarne v Sloveniji in njihov izkoristek.............................................................. - 45 - slika 36: Hidroelektrarne na Dravi .................................................................................................... - 46 - slika 37: Hidroelektrarne na Savi ....................................................................................................... - 46 - slika 38: Hidroelektrarne na Soči....................................................................................................... - 47 - slika 39: Delež proizvodnje električne energije hidroelektrarn v Sloveniji ................................. - 47 - slika 40: Gradnja naprave OWC........................................................................................................ - 48 - slika 41: Delovanje naprave OWC.................................................................................................... - 49 - slika 42: Naprava OWC na Škotskem .............................................................................................. - 49 - slika 43: Delovanje tapchana.............................................................................................................. - 50 - slika 44: Tapchan.................................................................................................................................. - 50 - slika 45: Delovanje valovnega valarja ............................................................................................... - 51 - slika 46: Valovni valjar ........................................................................................................................ - 51 - slika 47: Delovanje Pelamisa .............................................................................................................. - 52 - slika 48. Pelamis ................................................................................................................................... - 53 - slika 49: Delovanje Salterjeve račke .................................................................................................. - 54 - slika 50: Salterjeve račke na morju .................................................................................................... - 54 - slika 51: Delovanje valovnega zmaja................................................................................................. - 54 - slika 52: Valovni zmaj.......................................................................................................................... - 55 - slika 53: Delovanje AWS .................................................................................................................... - 55 - slika 54: AWS........................................................................................................................................ - 56 - slika 55: Delovanje mogočnega kita.................................................................................................. - 56 - slika 56: Mogočni kit na morju in transport .................................................................................... - 57 -

slika 57: Energijska boja in povezanost v polje............................................................................... - 57 - slika 58: Delovanje in zgradba hidroelektrarne z enosmerno delujočimi turbinami................. - 59 - slika 59: Hidroelektrarna z enosmernimi turbinami na reki Annapolis v ZDA ........................ - 59 - slika 60: Delovanje hidroelektrarne La Rance................................................................................. - 61 - slika 61: Hidroelektrarna z dvosmerno delujočimi turbinami La Rance..................................... - 61 - slika 62: Princip delovanja sistema OTEC....................................................................................... - 63 - slika 63: Delovanje in zgradba naprave OTEC............................................................................... - 64 - slika 64: Hidroelektrarne na morski tok........................................................................................... - 65 - slika 65: Hidroelektrarne na morski tok........................................................................................... - 66 - slika 66: Vodni reaktivni motor delovanje....................................................................................... - 67 - slika 67: Vodni reaktivni motor delovanje....................................................................................... - 67 - slika 68: Učni načrt, 7. razred OŠ...................................................................................................... - 69 - slika 69: HE Fala danes in gradnja HE Fala 1916 .......................................................................... - 70 - slika 70: Predstavitev v PowerPointu - hidroelektrarna................................................................. - 71 - slika 71: Predstavitev v PowerPointu – vrste hidroelektrarn........................................................ - 71 - slika 72: Predstavitev v PowerPointu – zgradba hidroelektrarne................................................. - 72 - slika 73: Predstavitev v PowerPointu – Bankijeva turbina............................................................ - 72 - slika 74: Predstavitev v PowerPointu – Peltonova turbina ........................................................... - 73 - slika 75: Predstavitev v PowerPointu – Francisova turbina.......................................................... - 73 - slika 76: Predstavitev v PowerPointu – Kplanova turbina............................................................ - 74 - slika 77: Predstavitev v PowerPointu – hidroelektrarne v Sloveniji ............................................ - 74 - slika 78: Predstavitev v PowerPointu – alternativne oblike hidroelektrarn................................ - 75 - slika 79: Predstavitev v PowerPointu – Wave Roller..................................................................... - 75 - slika 80: Predstavitev v PowerPointu - Tapchan ............................................................................ - 76 - slika 81: Predstavitev v PowerPointu - OWC ................................................................................. - 76 - slika 82: Predstavitev v PowerPointu - Pelamis .............................................................................. - 77 - slika 83: Predstavitev v PowerPointu – Satler duck ....................................................................... - 77 - slika 84: Predstavitev v PowerPointu – Wave dragon ................................................................... - 78 - slika 85: Predstavitev v PowerPointu - AWS .................................................................................. - 78 - slika 86: Predstavitev v PowerPointu – The mighty whale ........................................................... - 79 - slika 87: Predstavitev v PowerPointu – Power buoy...................................................................... - 79 - slika 88: Predstavitev v PowerPointu – bazeni z enosmerno delujočimi turbinami ................. - 80 - slika 89: Predstavitev v PowerPointu – bazeni z dvosmerno delujočimi turbinami................. - 80 - slika 90: Predstavitev v PowerPointu – hidroelektrarne na toplotno energijo morja ............... - 81 - slika 91: Predstavitev v PowerPointu – hidroelektrarne na morske tokove............................... - 81 -

SIMON BREG ENERGIJA VODE OD KONVENCIONALNIH DO ALTERNATIVNIH VIROV

- 11 -

1 UVOD

Voda je tekočina brez barve, vonja in okusa, brez katere ne bi bilo življenja na Zemlji.

Danes pokriva skoraj tri četrtine Zemljinega površja. Od vsega začetka ni bilo tako saj je

bil naš planet še prevroč da bi se na njem lahko voda nahajala v kapljevinastem stanju.

Bili so le atomi kisika in vodika. Šele ko se je Zemlja dovolj ohladila, je prišlo do vezave

vodikovih in kisikovih atomov, kar je povzročilo ogromne oblake pare, ki so obdajali

Zemljo. S tem še vedno niso bili izpolnjeni pogoji, da bi se lahko voda na Zemlji

nahajala v stanju, kot ga poznamo danes. Zemlja se je morala še dodatno ohladiti. Takrat

se je pričelo daljše deževno obdobje, ki je trajalo več sto let. To daljše deževno obdobje

je privedlo do tega, da je voda pričela zapolnjevati nižje ležeče predele zemeljske

površine, kjer so nastali oceani, morja in reke, ki dajejo življenjski prostor različnim

živalskim vrstam, ljudje pa že od nekdaj s pridom izkoriščajo njihove ogromne

energijske kapacitete. Živimo v času v katerem je potreba po energiji iz dneva v dan

večja. Večino energije (električno energijo, ogrevanje, delo...) pridobivamo iz fosilnih

goriv, katerih kapacitete pa strmo padajo. Fosilna goriva (premog, nafta, zemeljski plin)

so neobnovljiv vir energije, ki po uporabi močno onesnažujejo naše okolje. Zato ljudje

vidimo rešitev v obnovljivih virih (sončni energiji, vodni energiji, vetrni energiji) z

uporabo katerih se zmanjša količina škodljivih snovi, dajejo možnost pridobivanja

energije, ne da bi se pri tem onesnaževalo okolje, njihova raba pa je količinsko

neomejena.

1.1 IZRABA VODNE ENERGIJE V PRETEKLOSTI

Tok vode je bil 4000 let glavni vir energije za rokodelstvo in industrijo. Perzijci so bili

prvi, ki so začeli uporabljati vodno energijo nekje 2000 let pred našim štetjem. Pri njih

so bila vodna kolesa speljana v tok reke z namenom, da so si namakali obdelovalne

površine (vrtovi, polja in drugi nasadi). Ta predhodnik vodnega kolesa, ki ga srečamo

pri poznejših civilizacijah, so imenovali sakija. Ta naprava je vodo prenašala oz. zajemala

iz reke v višje ležeča območja (slika 1). Delovala je tako, da je tok vode zadeval v vodo

potopljene lopatice in tako vrtel kolo. Z vodo napolnjena vedra, ki so bila privezana na

obodu sakije, so se dvigala in v višji legi izlivala vodo v žleb, po katerem je nato odtekala

na obdelovalne površine.


- 12 -

SLIKA 1: SAKIJA

Pri Grkih in Rimljanih je prišlo do uporabe vodnih koles, ki so bila vertikalno

postavljena na tok reke. Uporabljali so jih za drobljenje žita. Kolo je bilo preprost stroj,

ki ga je gnala sila vode z žlebiči na kolesu. Tako je vodno kolo spreminjalo kinetično

energijo v mehansko energijo. To je hkrati prvi primer uporabe vodnih koles za

proizvodnjo žitne moke. Po prvotni uporabi se je vodno kolo dokaj hitro razširilo tudi

med druge civilizacije. Vodno kolo so izkoriščali tudi v papirni industriji, prvič v

Maroku, kjer so mline za papirščino že poganjala vodna kolesa z drugimi novostmi. Ker

je bilo obratovanje mehanizirano, so povečali proizvodnjo. Takšna proizvodnja papirja

je obdržala celih osemnajst stoletij. Uporabo vodnih koles so vpeljali tudi v vajkalnice

(obrat za proizvodnjo sukenj), kjer so valjkanje z nogami nadomestili s koriščenjem

vodne energije. Moč vode vodnimi kolesi se je pričela pojavljati tudi pri žagah, rudarstvu

in fužinarstvu. Pri rudarstvu so služila predvsem za dviganje rude iz jam, črpanje vode za

vsakdanje potrebe, osuševanje ter odstranjevanje vode iz jaškov. V fužinarstvu je bila

glavna funkcija pridobivanje kovin in njihovo predelovanje v kose in palice, ki so jih

potrebovali v kovačijah. Velik napredek v koriščenju vodne moči je bila v 15. stoletju

iznajdba mehov s pomočjo katerih je bilo mogoče povečati peči (plavže) in posledično

dosegati večje temperature za taljenje rude. Zraven mehov in fužinarskih kladiv so bile v

fužinah tudi številne druge naprave, ki so jih poganjala vodna kolesa s pomočjo vodne

energije. Energija vode se je uspešno uporabljala v tekstilni obrti, kjer so v predilnicah

vodna kolesa služila pri izdelavi svile, lanu in bombaža. Energijo vode so uporabljali tudi

v vojni industriji, usnjarstvu... Leta 1581 je Anglež Peter Morise zgradil vodno kolo, ki

ni neposredno izrabljalo moči vodnega toka kot doslej, ampak je delovalo na osnovi

plime in oseke. S tem je vodna energija dobila svojo svetlo prihodnost, saj so ljudje


- 13 -

spoznali obnovljivost vodne moči. Prava revolucija pa se je zgodila v 18. stoletju ob

iznajdbi parnega stroja (iznajditelj James Watt). Pričela se je izdelava vodnih črpalk s

parnim pogonom in pričelo je se obdobje nadaljnjega razvoja vodnih koles z čim večjim

in boljšim izkoristkom vodne moči. V 19. stoletju so pri preučevanju koles prišli do

spoznanja, da ukrivljene lopate dajejo boljši izkoristek moči vode pod pogojem, da

center kolesa leži nad gladino vode. S to ugotovitvijo je vodna turbina pričela

nadomeščati vodno kolo, ki pa še danes ni izumrlo. Pri nadaljnjem razvoju turbin je imel

veliko vlogo James Francis (Francisova turbina). Turbina je bila spiralno oblikovana in je

tako posledično lahko izkoriščala več vodne energije. Ta turbina je pomenila začetek

proizvodnje električne energije in začele razvoja hidroelektrarn. Prva hidroelektrarna je

bila zgrajena leta 1879 v Združenih državah Amerike na Niagarskih slapovih, nakar se je

proizvodnja električne energije in moči vode vedno večala (Struna, 1955, str. 28 - 118).


- 14 -

2 VIRI ENERGIJE

2.1 NEOBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE

Med neobnovljive vire energije štejemo fosilna goriva to so nafta, zemeljski plin in

premog. So naravne snovi nastale pred več milijoni let, ko so drevesa in organske snovi

iz morij pri potresih ali drugih naravnih spremembah zakopale kamenine, pri čemer se je

nato pričel postopek oksidacije. S časoma so se zaradi vpliva visokih temperatur in

tlakov izločili voda in organski plini. Tako je nastala stisnjena snov z visoko vsebnostjo

ogljika, ki je mineralizirala v premog, tega najdemo med tankimi področji kamenin.

Sestavljen je iz ogljika, vodika, dušika, kisika in pepela. Če so bile organske snovi

zakopane globlje (okoli 2000 m) se je na njih vršil večji pritisk, okolica pa je bila manj

porozna in prepustna. Posledično so bile zaradi večje globine višje tudi temperature

(proces oblikovanja molekul zaradi toplotnih reakcij imenujemo kategeneza), posledica

katerih so bile pomembne toplotne reakcije. Voda se je uparila zaradi razrahljanih

kemičnih vezi se je delno izločilo žveplo, kisik in dušik. Preostale snovi so se začele

razgrajevati v tekoče molekule, katere so se pričele premikati v bolj porozna in

prepustna področja. Na tak način so se formirala nahajališča nafte oz. nahajališča

tekočega fosilnega goriva. Nafta je sestavljena iz ogljika, vodika, žvepla in dušika. Še

globlje (okoli 300 m) je delovanje tlaka in temperature še večje, kar povzroči razpad

ogljikovih vezi in formiranje plinastih fosilnih goriv ali zemeljskega plina. Ti potujejo iz

visokotlačnih v nizkotlačna področja. Zemeljski plin sestavljajo ogljik, vodik in dušik

(Medved, Novak, 2000, str. 6).

Časovno obdobje za nastanek neobnovljivih virov, ki so še na razpolago je ocenjeno na

350 do 500 milijonov let. Ko bodo te rezerve porabljene, ne bo več nadaljnjih možnosti

ponovnega nastanka in izrabljanja le teh. Predvideno porabo zalog neobnovljivih virov

ponazarja graf (slika 2). Zato se bomo morali mi in tudi nadaljnje generacije zadovoljiti

in znajti z novimi viri energije, ki nam jih nudi Zemlja (Synwoldt, 2008, str. 4 - 16).


- 15 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

let

NEOBNOVLJIVI VIRI

premog nafta zemeljski plin

SLIKA 2: GRAF PREDVIDENIH ZALOG NEOBNOVLJIVIH VIROV V LETIH

(vir: Synwoldt, 2008, str.: 4)

2.2 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE

Temelj obnovljivih virov je energija Sonca, ki jo prestreže Zemlja. Sevanje Sonca se v

stiku z atmosfero in na površini Zemlje pretvori v toploto, kinetično ali potencialno

energijo. Njegovo sevanje je za časovna človeška merila praktično neomejeno.

Obnovljive vire glede na izvor delimo na:

SONČNO SEVANJE, ki ga oddaja Sonce, in ga lahko spremenimo v toploto ali

elektriko, v naravi pa povzroča nastanek vetra, valov, vodne energije in biomase.

PLANETARNA ENERGIJA; Lune in Sonca, ki skupaj s kinetično energijo

Zemlje povzroča periodično nastajanje plime in oseke.

TOPLOTA; ki iz notranjosti Zemlje prehaja proti površju in se imenuje

geotermalna energija.

Človeštvo je skozi obdobja razvilo različne naprave in sisteme s pomočjo katerih

obnovljive vire pretvori v druge oblike energije, ki so potreba v vsakdanjem življenju

(toplota, svetloba, električna energija, mehansko delo):

Pasivni solarni sistemi, za delovanje ne potrebujejo dodatne energije in snovi za

prenos toplote ter se uporabljajo za ogrevanje stavb to so okna, sončni zidovi,...

Aktivni solarni sistemi, absorbirajo sončno obsevanje ter ga v obliki toplote

oddajo krožeči tekočini, toploto shranjujejo v hranilnikih toplote.

Biomasa, je trenutno najbolj izkoriščen obnovljivi vir. Sodobna uporaba biomase

vključuje poleg sežiga v prilagojenih napravah tudi uplinjanje in izdelavo tekočih


- 16 -

goriv (etanol, metanol in biodisel). Poraba biomase (les) je v nekaterih državah

že velik problem, saj je na ta račun močno prizadeta tudi narava.

Sončne celice; z njihovo pomočjo se lahko brez pretvorbe sončnega obsevanja v

toploto proizvaja električno energij. Narejene so iz silicija in so polprevodniške

naprave. Primerne so za oskrbo manjših naprav v oddaljenih in neelektrificiranih

krajih.

Vetrnice, prevajajo kinetično energijo vetra v električno energijo.

Vodne elektrarne, izkoriščajo kroženje vode v naravi.

Elektrarne na oceanih, izkoriščajo potencialno in kinetično energijo valov in

bibavice (plima, oseka), in sicer energijo valov s posebnimi mehaničnimi in

pnevmatskimi napravami, energijo bibavice pa na osnovi pretoka z zbiralnimi

jezeri. Poznamo tudi elektrarne ki izkoriščajo toploto oceanov na dveh

temperaturnih nivojih (segreti površinski sloj, ohlajen sloj v globinah).

Geotermalne toplotne elektrarne, izkoriščajo notranjo toploto zemlje

neposredno z zajemom vroče pare ali vroče vode, ki prihaja iz naravnih vrelcev

ali izdelanih vrtin.

Glavni značilnosti obnovljivih virov sta neomejena trajnost in velik potencial, prav tako

je pomembna enakomerna razporeditev brez geopolitičnih ovir. Če je v državi ena

oblika obnovljivega vira neizrazita, je po navadi ta dežela bogata z drugim obnovljivim

virom npr.: Nizozemski primanjkuje potencial vodne energije ima pa močan potencial

vetrne energije (Medved, Novak, 2000, str. 31-34).

SLIKA 3: RABA VIROV ENERGIJE V PRETEKLOSTI, SEDANJOSTI IN PRIHODNOSTI

(vir: http://www.ee.uni-lj.si/EIO_uni/EO_Predavanje01.pdf, 01. 06. 2009 )


- 17 -

3 LASTNOSTI VODE

3.1 FIZIKALNE IN KEMIJSKE LASTNOSTI VODE

Voda je kemijska spojina in je sestavljena iz dveh atomov vodika in enega atoma kisika.

Vodikovi atomi so razporejeni na koncih, kisikovi pa v temenih. V molekuli vode ima

kisik višjo elektronegativnost od vodika, zato je tudi območje vodika v molekuli delno

negativno nabito glede na vodikovo stran. Takšno molekulo z razliko naboja imenujemo

električni dipol. Razlika naboja med seboj privlači vodne molekule, kakor tudi druge

polarne molekule. To privlačevanje se imenuje vodikova vez, ki spada med

medmolekulske vezi. Vodikova vez je tudi posledica anomalnih lastnosti vode saj se ta

lahko nahaja v plinastem, tekočem ali trdnem agregatnem stanju. Če se vodi doda

energija oz. vodo segrevamo se poveča gibljivost posamičnih molekul vode, ki jim sledi

razpad vodikovih vezi in voda se uplini (upari). Da se voda uplini, se mora segreti segreti

na 100 °C, kar je značilno samo za vodo, saj se ostale spojine z enako molekulsko maso

uplinijo pri veliko nižjih temperaturah (metanol 65 °C). Ena izmed lastnosti vode je tudi

njena gostota. Gostota vode je največja, ko je voda v tekočem stanju in se nahaja v

okolju s 4 °C. Če se temperatura zniža prične gostota vode ponovno padati, naraščati

pa prične njena prostornina. S padcem temperature se posledično zmanjša (0 °C ali

manj) tudi gibljivost vodnih molekul in spremeni se postavitev vodnih molekul, ki

prehajajo v stanje kristalov oz. prične se tvoriti led (internetni vir:

www.koblenz.de/bilder/wasser_kap_1_1.pdf, 04. 05. 2009).

SLIKA 4: AGREGATNA STANJA VODE


- 18 -

SLIKA 5: POLOŽAJ ATOMOV V VODNI MOLEKULI

3.2 KROŽENJE VODE V NARAVI

Znano je, da voda v naravi vedno kroži zaradi sončnega obsevanja, ki dospe na površino

Zemlje. To kroženje imenujemo hidrološki krog za katerega je ocenjeno, da porabi 23 %

sončnega obsevanja, zato uvrščamo vodne elektrarne med naprave, ki izkoriščajo

obnovljiv vir energije.

Pod vplivom sevanja sonca voda izpareva iz vodnih površin in se dviguje v atmosfero,

kjer kondenzira in se s padavinami vrne delno v oceane, delno pa pade na kopno. Del

kondenzirane pare se v atmosferi ponovno upari in v atmosferi kroži. Od padavin, ki

padejo na kopno se del upari in vrne v atmosfero, del teče v površinskih vodah do

oceanov, del pa ponikne v litosferi. Del vode iz litosfere se zlije s površinskimi vodami,

del pa se vrne v tla in se z izparevanjem ter s transpiracijo rastlin vrne v atmosfero.

Količina vode, ki sodeluje v hidrološkem krogu, je lahko le ocenjena in je prikazana na

sliki:

SLIKA 6: HIDROLOŠKI KROG

(vir: Medved, Novak, 2000, str. 182)


- 19 -

Kopno se deli na dve področji, aridno ali suho in humidno ali vlažno. Iz suhih področij

ni odtekanja vode, ker se padavine uparijo prej, preden se lahko oblikujejo površinski

vodotoki. V tabeli (slika 7) so navedene vodne bilance kontinentov in delež padavin, ki v

vodotokih odtekajo iz kontinentov v oceane kar se imenuje razmerje odtoka. Ta del

hidrološkega kroga je mogoče pod določenimi pogoji izkoristiti v vodnih elektrarnah.

KONTINENT

PADAVINE

(mm/m²

leto)

Na

površini

ODTOK

(mm/m²

leto)

Skupaj RAZMERJE

ODTOKA

(%)

Afrika 686 91 48 139 20

Azija 726 217 76 293 40

Avstralija 736 172 84 226 30

Evropa 734 210 109 319 43

S. Amerika 670 203 84 287 43

J. Amerika 1648 373 210 583 35

SLIKA 7: TABELA PADAVIN NA KONTINENTIH

(vir: Medved, Novak, 2000, str.: 183)

Za Slovenijo je značilna visoka količina padavin (povprečno 1200 mm/m² letno) in

visoko razmerje odtoka, okoli 48 %. Zaradi teh rezultatov vodna energija v Sloveniji

predstavlja velik energetski potencial (Medved, Novak, 2000, str. 182, 183).

3.3 PLIMOVANJE

Že 2000 let pred našim štetjem so Egipčani poznali povezavo med spreminjanjem višine

morske gladine in Luninimi cikli. V Angliji, Franciji in Španiji so v 11 stoletju našega

štetja zgradili številne mline na obalah, ki so delovali tako, da so izkoriščali plimovanje.

Uporabljali so jih vse do sredine 19. stoletja. Šele dobro stoletje kasneje so ponovno

začeli uporabljati plimovanje, pretežno za proizvodnjo električne energije.

Plimovanje je naravni pojav, ki je posledica istočasnega delovanja privlačne sile Lune in

Sonca, centrifugalne sile Zemlje (nastane zaradi vrtenja Zemlje) in Lune okrog njunega

skupnega središča (O) ter vrtenja Zemlje okoli polarne osi. Rezultanta (R) gravitacijske

(G) in centrifugalne sile (C) v vsaki točki zemeljske površine povzroči deformacijo

oceanov v obliki elipsoida. Na tisti strani Zemlje, ki je obrnjena proti Luni, prevladuje

gravitacijska sila, ki privlači vodo v oceanih in morjih. Na nasprotni strani pa deluje

centrifugalna sila močneje od gravitacijske, zato se tudi tam pojavi kopičenje vode. Tako

nastalo povišanje vodne gladine imenujemo plima, nasproten pojav pa oseka. Razlika

med plimo in oseko se imenuje bibavica.


- 20 -

SLIKA 8: PLIMOVANJE

V času enega Luninega dneva (24 ur in 50 min), se pojavita dve oseki in dve plimi. Iz

česar. Sklepamo lahko, da Luna vpliva na plimovanje močneje kot Sonce, saj bi bila sicer

perioda plime in oseke enaka polovici Zemeljskega (sončnega) dneva. Zaradi večje

oddaljenosti Sonca kot Lune, je kljub njegovi veliki masi njegov vpliv na plimovanje

manjši od vpliva Lune. Največja plima je ob mlaju in ščipu, ko so zemlja, luna in sonce v

isti črti (sigizij), najmanjša pa v času kvadratur.

Na odprtem morju je višina bibavice 1 m, ob morski obali pa lahko tudi do 20 m in je

odvisna od oblike obale, morskega dna in drugih okoliščin. Za ekonomično izkoriščanje

naj bi bila povprečna višina bibavice vsaj 5 m. Tako ocenjujejo, da bi bilo mogoče

izkoristiti le majhen del energije bibavice, le 1 % skupnega potenciala vodne energije

(23000 MW) (Medved, Novak, 2000, str. 197 - 198).


- 21 -

SLIKA 9: NAJPRIMERNEJŠE LOKACIJE ZA POSTAVITEV ELEKTRARN NA PLIMOVANJE

(vir: http://www2.arnes.si/~rmurko2/PLIMOVANJE.htm, 01. 06. 2009)

3.4 VALOVANJE VODE

Nastanek valovanja v morju je rezultat trenja gibajočih zračnih mas ob morsko

površino. Ker je to gibanje zraka posledica segrevanja zaradi sončnega obsevanja, lahko

smatramo energijo valov za shranjeno obliko sončne energije z relativno visoko gostoto

energije. Energiji, ki sta prisotni pri valovanju, sta potencialna in kinetična. Pri teoretični

analizi moči valovanja običajno opazujemo le spremembo potencialne energije

sinusoidnega valovanja.

SLIKA 10: SINUSOIDNO NIHANJE VODNEGA VALA

Masa vode, ki niha v sinusoidnem valu, je enaka:

(enačba 1)

222 v

vH

m


- 22 -

kjer je: vm masa vode v valu (kg/m),

gostota vode (kg/ 3m ),

valovna dolžina vala (m),

vH višina vala (m).

Sprememba potencialne energije nihajoče mase vode glede na enoto dolžine vala:

(enačba 2)

1622222

2vvv

vvHgHH

gHmgPE

kjer je: PE potencialna energija vode za jezom (J/m),

vm masa vode v valu (kg/m),


g težni pospešek (m/s),

valovna dolžina vala (m),

vH višina vala (m),

vH višinska razlika med težiščem nihajoče mase vode v valu (m).

Teoretična moč valovanja je tako enaka:

(enačba 3)

tHg

tPEP v

16

2

kjer je: P povprečna teoretična moč valov na enoto dolžine (W/m),


PE potencialna energija vode za jezom (J/m),

g težni pospešek (m/s),

vH višinska razlika med težiščem nihajoče mase vode v valu (m)

t perioda vala; v globokem morju je perioda vala 5.08.0 (s).

Na sliki (slika 11) je prikazan potencial energije valov v kW na meter obale. Če bi

izkoristili samo 0,1 % te energije, bi presegli potrebe sveta po električni energiji

(Medved, Novak, 2000,str. 200 - 201).


- 23 -

SLIKA 11: POTENCIAL ENERGIJE VALOV

(vir: http://www2.arnes.si/~rmurko2/VALOVI.htm, 01. 06. 2009)


- 24 -

4 HIDROELEKTRARNE

4.1 ZGRADBA HIDROELEKTRARNE

Hidroelektrarne (vodne elektrarne) so postroji, v katerih se potencialna ali kinetična

energija vode pretvarja v električno energijo s pomočjo vodnih pogonskih strojev

(mehanska energija v električno). Primarna energija (pretok vode) je časovno zelo

spremenljiva veličina, tako z letnimi časi kot tudi z leti. Energijo vode je mogoče

pretvoriti v uporabne oblike zaradi njenega gibanja, ki je posledica gravitacije. S

pomočjo padca vode in njenega prostorninskega pretoka je mogoče na samem mestu

neposredno določati koliko energije je mogoče proizvesti. Iz tega razloga so za

postavitev vodnih elektrarn zanimivi kraji, kjer je praktično možno doseči ali velik padec

ali velik pretok (najboljše oboje). Pred izgradnjo hidroelektrarne se mora poznati

dolgoletne podatke pretokov in padec vode, ki je določen z zgornjo in spodnjo vodo.

Pri tem se vsekakor ne smemo izpustiti pomembnega podatka o stoletni vodi

(katastrofalne vode), ki je potreben pri konstruiranju in obratovanju.

Približno moč hidroelektrarne lahko določimo po empirični enačbi:

(enačba 4)

HQP 8

kjer je: Q povprečni pretok v ( 3m /s),

H padec vode v (m),

P moč hidroelektrarne (W).

Pri tej enačbi (v konstanti) je že upoštevan izkoristek vodne turbine (0,85) in generatorja

(0,96), pri čemer je pomembno, da se Q in H lahko spreminjata, s tem pa tudi izkoristek

vodnih turbin.

Glede na način gradnje poznamo:

kaverniški tip,

elektrarne s površinsko zgradbo,

akumulacijske – prečrpovalne.

4.1.1 Deli hidroelektrarne

JEZ ALI PREGRADA

Jez je v strugi reke ali pa lahko zapira vso dolino. Doseže lahko višino tudi do 200 m

(pri nas je najvišji na Savi 51,5 m). Pregrada je lahko nasuta z zemljo, peskom,

kamenjem, armiranobetonska oziroma kombinirana. Zgrajena in konstruirana mora biti


- 25 -

tako, da vzdrži pritiske tudi več milijonov 3m vode, ki je za pregrado. Jez je lahko

sestavni del hidroelektrarne, lahko pa je ločen in z elektrarno povezan preko kanala

oziroma tunela.

SLIKA 12: JEZ

ZAJETJE

Naloga zajetja je, da nakopičeno vodo ob jezu usmeri proti centrali.

Osnovna tipa zajetij:

Zajetje na površini, ki se uporablja kadar, je jez nizek. Pretok vode skozi zajetje

se uravnava z zapornicami (slika 13).

Zajetje pod površino, ki se uporablja tam, kjer se nivo vode med letom

spreminja. Namesti se na nižji nivo, do katerega se bo znižala gladina vode (slika

14).

SLIKA 13: ZAJETJE NA POVRŠINI


- 26 -

SLIKA 14: ZAJETJE POD POVRŠINO

ZAPORNICE (GIBLJIVI JEZ)

Zapornice nam omogočajo pretok odvečne vode in s tem spreminjajo višino zgornje

vode v jezu. So sestavni del vsakega jeza. Ločimo glavne in zagatne zapornice. V

pretočnem polju so glede na izvedbo naslednje oblike glavnih zapornic:

ploščate ali tablaste (enojne ali dvojne),

segmentne ali sektorske,

loputaste,

valjčne.

Zagatne ali pomožne zapornice se uporabljajo v prelivnem polju, ko se izvaja remont

na glavnih zapornicah. To so najpogosteje tablaste predalčne konstrukcije, ki se z

žerjavom namestijo v posebna utorna vodila za glavnimi zapornicami. Pomožne

zapornice pa so potrebne tudi na turbinskem vtoku (dotočni cevi) in iztoku (sesalni cevi)

ob izvajanju remonta na turbini.

SLIKA 15: OBLIKE ZAPORNIC


- 27 -

DOVOD

Dovod spaja rov z vodno komoro. Izdelan je lahko kot kanal ali tunel, odvisno od tega,

kakšen je teren.

SLIKA 16: DOVOD

VODNA KOMORA

Vodna komora se nahaja na koncu dovoda. Dimenzioniranje te komore ima velik vpliv

na pravilno delovanje hidroelektrarne.

SLIKA 17: VODNA KOMORA

ROVI IN TLAČNI CEVOVODI

Rovi in tlačni cevovodi služijo za dovod vode do elektrarne, ko je le ta ločena od jezu.

To so lahko podzemni rovi ali cevovodi z več metri premera, okrogle ali podkvaste

oblike. Če voda popolnoma napolnjuje cev, gre za tlačni cevovod(velike višinske

razlike), če pa cev ni napolnjena do vrha, gre za cevi s prosto gladino. Rovi so lahko

izdelani iz armiranega betona ali pa so jeklene cevi samostojne, pri največjih pritiskih

obdane z betonom. Cevovodi lahko potekajo na prostem, na površini zemlje ali pod njo.

Pri nadzemni izgradnji cevovodov je potrebno upoštevati temperaturne spremembe, ki


- 28 -

so kompenzirane na ceveh z dilatacijskimi vložki – prirobnicami, in omogočiti gibanje

cevi – sedla. V tlačni cevovod so vgrajene tudi naprave za zapiranje vode, to so ročne in

avtomatske lopute na začetku cevovoda, pred turbinskimi cevmi pa so zasuni (loputasti,

kroglasti, obročni).

SLIKA 18: TLAČNI CEVOVOD

VTOKI

Vtoki so tisti deli, kjer voda iz jezu vstopa v dovodno turbinsko cev ali pa v dovodni

kanal. Na tem delu so rešetke, ki so na dovodu grobe, ob vstopu v cevovod ali samo

turbino pa je drobna rešetka, ki preprečuje vstop produ in pesku (dvignjen vtok ali

vstopni prag). Pred večjimi plavajočimi deli je turbinska zgradb zaščitena s ponirnim

zidom (branikom) ali s poševno betonsko pregrado.

SLIKA 19: VTOK


- 29 -

IZTOKI

Iztoki so cevi, ki odvedejo vodo iz turbine nazaj v strugo reke. Zaradi izboljšanega

izkoristka, ko so turbine nameščene celo pod spodnjo gladino vode, delujejo kot sesalne

cevi. Sesalna cev je grajena tako, da se ji premer proti izhodu povečuje, s tem pa tudi

hitrost odtekajoče vode. Na ta način je doseženo, da se vodni curek pri iztoku ne

prekine, zato ne pride do zalitja turbine.

SLIKA 20: IZTOK

STROJNICA

Strojnica se nahaja na koncu dovoda. Dimenzioniranje te komore ima velik vpliv na

pravilno delovanje hidroelektrarne. Je prostor nad generatorjem. V njej so hidravlični

regulator turbine, naprave za nadzor in upravljanje ter mostni žerjav.

SLIKA 21: STROJNICA


- 30 -

HODNIKI

Hodniki povezujejo posamezne dele elektrarne in omogočajo dostop do njih.

Uporabljajo se tudi za nadzor oziroma kontrolo temeljev (kontrolni hodnik), polaganje

kablov in zbiralnik.

TEMELJI

Temelji so pri hidroelektrarnah še posebej zahtevni; tako po načinu gradnje kot po

nosilnosti. Gradnja temeljev na suhem je enostavnejša, v rečnem koritu pa zahtevnejša.

Temelji ne smejo prepuščati vode, voda pa jih tudi ne sme izpodžirati (Razpet, 2007, str.

157-159; internetni vir: www.tehnika.fnm.unimb.si/projekti/energetika%2005

/objekti_za_pretvarjanje_ merjenj e_in_obnovljivi_viri_energije.html#

HIDROELEKTRARNA, 12. 05. 2009).

4.1.2 Vrste turbin

Vodne turbine so pogonski stroji, ki pretvarjajo potencialno in kinetično energijo vode v

mehansko energijo oziroma v delo. Obstaja jih več vrst, od katerih se danes uporablja

največ Bankijevo, Peltonovo, Francisovo in Kaplanovo turbino. Vsaka od njih se

uporablja v določenih danostih, odvisno od moči, padca, pretoka in števila vrtljajev pri

katerih turbina deluje z največjim izkoristkom.

Po njihovih lastnostih ji delimo v več vrst:

Glede na način pretvarjanja energije:

akcijske ali enotlačne (Peltonova, Bankijeva),

reakcijske ali nadtlačne (Francisova, Kaplanova).

Pri akcijskih turbinah se vsa kinetična energija spremeni v potencialno energijo v

vodniku. Pri reakcijskih se spremeni samo en del, drugi je na gonilniku.

Glede na smer pretoka vode:

radialne (Francisova),

aksialne (Kaplanova),

diagonalne,

tangencialne (Peltonova).

Glede na lego osi:

vertikalne,

horizontalne,

poševne.


- 31 -

4.1.2.1 Bankijeva turbina

Za izkoriščanje vodnega potenciala z majhnimi padci in pretoki, je najbolj uporabna

Bankijeva turbina, ki je najbolj podobna mlinskemu kolesu. Zgrajena je iz dveh okroglih

plošč, ki nosita venec lopatic (iz pločevine) ukrivljene oblike. Tak rotor je lahko vgrajen

v cev oziroma v cevno turbino ali pod šobo, ki se nahaja nad turbino ali ob strani. Curek

vode na eni strani vstopa na gonilnik, na drugi pa z zmanjšano hitrostjo izstopa. To je

tudi posebnost te turbine – voda namreč dvakrat teče skozi gonilnik. Uporabljamo jih

lahko za padce od 2 m do 150 m in pretoke od 2000 l/s do 20 l/s.

SLIKA 22: BANKIJEVA TURBINA IN NJENO DELOVANJE

4.1.2.2 Peltonova turbina

Peltonova turbina se uporablja za majhne pretoke in relativno velike padce. Vrtilne

hitrosti so od 10 1min do 40 1min . Rotorske lopatice so v obliki enojne ali dvojne

zajemalke, zvarjene po robu. Curek vode pada na lopatice iz ene ali več šob. Peltonova

turbina je lahko grajena v vertikalni ali horizontalni legi. Dotok vode na vodilnik

reguliramo s pomočjo trna oziroma igle v šobi. Igla se premika s pomočjo

servomotorjev (hidravlika). Ob hitrem zapiranju šobe lahko pride do močnega

povečanja tlaka v tlačnem cevovodu, zato se pred šobo nahaja odklonilo ali zaslon, ki

odkloni curek za toliko časa, da igla počasi zapre šobo. Za te turbine je značilno, da

dosežejo optimalni izkoristek že pri 25 % nazivne obremenitve. Male Peltonove turbine

se uporabljajo za padce od 40 m do 250 m, velike pa od 250 m do 2000 m. Premeri

tekača so lahko od 0,5 m do 5 m, moči pa tudi do 250 MW.


- 32 -

SLIKA 23: ZGRADBA PELTONOVE TURBINE IN DELOVANJE

SLIKA 24: PELTONOVA TURBINA

SLIKA 25: ZGRADBA IN DELOVANJE ŠOB PRI PELTONOVI TURBINI

4.1.2.3 Francisova turbina

Francisova turbina je najpogostejša v naših hidroelektrarnah, ker se lahko uporablja za

srednje (5 m – 200 m) in velike padce (50 m – 500 m). Glede na hitrost vrtenja tekača

ločimo:

počasne za 50 1min do 150 1min in padce do 500 m in več (gonilnik ima

izstopni premer mnogo manjši od vstopnega in je zelo kratek),


- 33 -

normalne za 150 1min do 250 1min in padce do 100 m (prehodna stopnja

med počasnim in hitrim gonilnikom),

hitre za 250 1min do 500 1min in padce do 50 m (gonilnik ima večji izstopni

premer, kot pa je vstopni in je daljši).

Najboljši izkoristek dosežejo med 60 % in 80 % nazivne obremenitve. Nameščene so

lahko horizontalno ali vertikalno. Voda priteka na tekač radialno skozi vodilne lopatice

stroja. Moč turbine reguliramo z vodilnimi lopaticami, ki so gibljivo pritrjene na vodilni

obroč, ki se premika preko vzvodov s servomotorji.

SLIKA 26: ZGRADBA IN DELOVANJE FRANCISOVE TURBINE

SLIKA 27: FRANCISOVA TURBINA


- 34 -

4.1.2.4 Kaplanova turbina

Pri Kaplanovi turbini so lahko fiksne ali gibljive rotorske lopatice. Statorski del je enak

kot pri Francisovi, tekač pa ima obliko ladijskega vijaka z dvema do sedmimi lopaticami.

Če so le-te fiksne, gre za o propelersko turbino. Lopatice gonilnika so gibljive preko

hidravlike, ki je speljana skozi votlo os. V tem primeru je možna dvojna regulacija. Na ta

način je dosežena najugodnejša krivulja izkoristka. Rotor je nameščen pod spodnjo

gladino vode. Vtok vode je radialen, pretok pa aksialen. Uporabljajo se za najmanjše

padce to je do 70 m, in za velike količine vode, hitrosti pa so od 125 1min do

600 1min (Razpet, 2007, str. 163 – 165).

SLIKA 28: ZGRADBA IN DELOVANJE KAPLANOVE TURBINE

SLIKA 29: KAPLANOVA TURBINA


- 35 -

SLIKA 30: IZBIRA TURBINE GLEDE NA NETOPADEC VODE IN PRETOKA VODE

(vir: Medved, Novak, 2000, str. 194)

4.2 DELOVANJE HIDROELEKTRARN

Na sliki št. 31 imamo prikazano delovanje hidroelektrarne.

SLIKA 31: SESTAVNI DELI HIDROELEKTRARNE

Železobetonska pregrada (1) zapira rečno strugo, tako da se ustvari

potreben padec vode.


- 36 -

Za njo se voda nabere v globoko jezero, ki služi kot zbiralnik.

Kadar je vode v jezeru preveč, se jo spusti skozi jeklene zapornice (2), ki

so podobne velikim dvižnim vratom.

Voda teče skozi pretočna polja (3).

V hidroelektrarno priteka voda skozi turbinski vtok (4).

Valobran (5) varuje, da ne gre v turbinski vtok plavni material, les in

drugo.

Plavni material in les zaustavljajo grablje (6). Ta plavni material, ki se

nabere na grabljah se mora odvažati in sežigati, tako hidroelektrarne

pripomorejo k čiščenju reke.

Nato teče voda skozi vstopni rov v betonsko spiralo (7), ki obdaja

turbino.

Vodilne lopate na turbinskem statorju (8) se odpirajo in zapirajo. Tako

regulirajo dotok vode na turbinski tekač.

Regulator (9) je naprava, ki ob turbini avtomatično odpira in pripira

vodilne lopate ter tako uravnava dotok vode na turbinski tekač. Glede na

električno breme, ki ga mora prenašati generator, regulator lopate bolj

odpre ali zapre.

Skozi odprtine vodilnih lopatic priteka voda z ogromno silo na turbinski

tekač (10) in ga vrti.

Vodo, ki odteka z lopat tekača, požira sesalna cev (11).

To vodo vodi odtočni kanal (12) v strugo pod jezom.

Generator (14) je nameščen v strojnici (13). Sestavljen je iz statorja in

rotorja. Na rotorju generatorja so žična navitja, ki sestavljajo več

magnetnih polov. Vodna turbina vrti rotor generatorja. Na njem so

nameščeni magneti. Magnetne silnice se vrtijo z magneti in inducirajo

električno napetost v žičnem navitju statorja. Visoka napetost znaša od

nizke napetosti 400 voltov do več 1000 voltov.

Energijo, ki jo proizvedejo vsi generatorji, zbirajo zbiralnice (15) in jo

vodijo v prostozračno stikališče (16).

Generatorji so priključeni na visokonapetostno omrežje preko

transformatorjev (17), ki spremenijo napetost iz generatorjev v prenosno

napetost 110 000 V in več.


- 37 -

Energija potuje v oddaljena središča in naselja preko visokonapetostnih

daljnovodov (18).

V komandni stavbi (19) pa se vrši vsa potrebna kontrola nad delovanjem

elektrarne.

Če je potrebno montirati kakšen stroj in hidromehansko opremo se

uporabi portalni žerjav (20), ki se pomika po betonskem mostu za

žerjavno progo (21).

Hidroelektrarna mora imeti montažno odprtino (22), ki je prekrita z

betonsko ploščo, ki jo dvignemo z žerjavom. Skozi nastalo odprtino pa

spuščamo z žerjavom sestavne dele turbine in generatorja (internetni vir:

http://tehnika.fnm.uni-mb.si/projekti/energetika%2005/objekti_za_

pretvarjanje_merjenje_in_obnovljivi_viri_energije.html#DELI%20HID

ROELEKTRARNE,

(15. 05. 2009).

SLIKA 32: DELOVANJE HIDROELEKTRARNE


- 38 -

4.3 VRSTE HIDROELEKTRARN

Hidroelektrarne delimo v več vrst.

Glede na padec vode poznamo:

Nizkotlačne hidroelektrarne (padec pod 25 m),

srednjetlačne hidroelektrarne (padec od 25 m do 200 m),

visokotlačne hidroelektrarne (padec nad 200 m).

Glede na namestitev strojnice poznamo:

Hidroelektrarne ob jezu, ki imajo strojnico nameščeno v samem jezu ali

v njegovi neposredni bližini. Pri tem odpadejo nekateri deli hidroelektrarne,

kot so dovod, vodna komora in odvod. Tlačni cevovod in zajetje

predstavljata del jezu oz. strojnice.

Derivacijske hidroelektrarne, ki imajo praviloma vse dele. Lahko imajo

strojnico na prostem ali vkopano strojnico ter tlačni oziroma gravitacijski

dovod.

Glede na način izkoriščanja vode poznamo:

Pretočne hidroelektrarne, pri katerih teče voda skozi turbino brez

zadrževanja, presežek vode pa odteka neizkoriščen prek jezu. Delujejo kot

stalne elektrarne.

Akumulacijske elektrarne, pri katerih se del vode akumulira. Izkoriščajo

se v času povečanega povpraševanja, ko se povpraševanje zmanjša, se voda

shranjuje. Ločimo hidroelektrarne z dnevno akumulacijo (polnijo se ponoči,

praznijo podnevi), s sezonsko akumulacijo (polnijo se ob deževju, praznijo v

sušnem obdobju), z letno akumulacijo (polnijo se v deževnih, praznijo v

sušnih letih).

4.3.1 Pretočne hidroelektrarne

Pretočne hidroelektrarne po načinu gradnje delimo na naslednje tipe:

stebrski,

rokavski ali kalski,

rečni.


- 39 -

4.3.1.1 Stebrski tip

Za stebrski tip elektrarne je značilno, da je grajena v strugi reke, ki ima manjše pretoke

in padce. Vsaka turbina in generator imata svojo strojnico v stebru, ki s pretočnimi polji

(med posameznimi stebri) tvorijo jez. Vsak turbinski steber torej predstavlja samostojno

elektrarno. Značilen videz na gornji strani nam dajejo betonski braniki v obliki čolna na

vsakem stebru. Taka elektrarna ima 3 do 4 stebre, odvisno od pretoka in širine struge

reke. V pretočnih poljih se nahajajo glavne in zagatne zapornice. Celotna konstrukcija

lahko funkcionira tudi kot most. Take elektrarne so na Dravi (Dravograd, Vuzenica,

Vuhred, Ožbold, Mariborski otok).

4.3.1.2 Kanalski tip

Kanalski tip elektrarna je elektrarna izven struge reke. Pri tem je potrebno izpeljati do

nje umetni betonirani kanal z nasipi, pri čemer so doseženi večji padci in večja hitrost

vode. Po stari strugi še vedno teče del vode – življenjski minimum in odvečne vode.

Strojnica je ločena od jezu in ne potrebuje pretočnih polj. Voda je zajezena ob vtočnem

kanalu, kjer so vgrajene zapornične naprave. Tu je lahko vgrajena dodatna turbina,

preko katere spuščamo življenjski minimum. Gladina vode v jezu skorajda ne niha. Do

hidroelektrarne Zlatoličje je umetni kanal dolg 17,2 km do elektrarne in 6,1 km od

elektrarne do struge. Glede na ostale elektrarne na Dravi (približno 15 m) se je padec

povečal za dva krat (približno 33 m), s tem se je povečala tudi moč.

4.3.1.3 Rečni tip

Ločimo dve vrsti elektrarn, in sicer s strojnico v strugi reke in izven nje. Strojnico v

strugi reke imajo pri nas hidroelektrarna Fala na Dravi, Solkan na Soči in Vrhovo na

Savi. Take elektrarne se gradijo predvsem na širših rekah, kjer lahko nastopijo težave s

plovnostjo. Pri tej izvedbi so pretočna polja ločena od strojnice. Zaradi večjih pretokov

in izgradnje v ravninskih predelih akumulacija ni možna. Posebna izvedba

hidroelektrarne s strojnico v strugi reke je tako imenovana prelivna hidroelektrarna, ki

nima posebej zgrajenega prelivnega polja, ampak poteka preliv kar preko strojnice. Na ta

način se pridobi v izredno ozkih strugah reke prostor in možnost akumulacije.

Izgradnja take elektrarne je velik problem. Elektrarne s strojnico izven struge reke so

glede na princip podobne kanalskemu tipu, kjer je voda speljana po krajšem dovodnem

kanalu do strojnice, ki je v tem primeru na bregu struge reke. Kanal ne povečuje padca,


- 40 -

ki bi se lahko čim bolje izkoristil med spodnjo in zgornjo vodo v strugi. Pred strojnico

kanal preide v razdelilec, to so preliv, izpust in turbinske vtoke.

4.3.2 Akumulacijske hidroelektrarne

Akumulacijske hidroelektrarne po načinu gradnje delimo na naslednje tipe:

kaverniški tip,

visokotlačne hidroelektrarne s površinsko zgradbo,

prečrpovalne hidroelektrarne,

hidroelektrarne elektrarne z občasnim pretokom.

4.3.2.1 Kaverniški tip

Pri nas sta dve elektrarni takega tipa, to sta hidroelektrarne Plave in hidroelektrarne

Doblar na Soči. Ime je dobila po kaverni – votlini, v katero je v celoti postavljena. Razen

jezu in turbinskih iztokov je ta elektrarna v celoti zgrajena pod zemljo. Spada med

srednje in visokotlačne elektrarne. Voda je zajezena na strugi, pri večjih akumulacijah pa

z dolinsko pregrado. Ob jezu so vtočne naprave, ki omogočajo zaprtje dotoka vode v

rov (zapornice), preprečujejo vstop plavajočih predmetov (rešetke) in odlaganje peska

ter mulja (pragovi). Rov je po navadi speljan tudi več kilometrov skoraj vodoravno, nato

pa lahko preide v tlačni cevovod, če gre za visokotlačne elektrarne.

4.3.2.2 Visokotlačna hidroelektrarna s površinsko zgradbo

Zaradi cenejše izgradnje se pri elektrarnah z manjšimi pretoki in večjimi padci pogosto

odloča za način gradnje, ko je elektrarna postavljena na površino, cevovod pa pod

zemljo ali s tlačnim cevovodom na površini zemlje. Če je več turbin, je na koncu

tlačnega cevovoda razdelilec, ki razdeli vodo na posamezne turbinske vtoke. Pri nas je

znana taka elektrarna Završnica, ob njej je še nekaj podobnih, manjših (mini) elektrarn.

4.3.2.3 Prečrpovalne hidroelektrarne

Pri nas take elektrarne nimamo, čeprav so zaradi njihovega pomena izdelane že mnoge

študije. Imeti bi morali umetno jezero in ga polniti s črpanjem vode iz reke, kdaj bi imeli

na voljo dovolj električne energije (višek), kar je v nočnih urah, ko obratujejo predvsem

termoelektrarne. Električno energijo bi dajale ob končnih obremenitvah. Prečrpavanje bi

lahko potekalo na dva načina, in sicer:

ob ločenem črpalnem in turbinskem postrojenju,


- 41 -

ob delovanju istega agregata kot črpalka in turbina (reverzibilna hidroelektrarna).

V tem primeru bi gladina vode v jezu močno nihala. Taka elektrarna bi imela zelo nizke

obratovalne ure, zaradi česar bi bila cena električne energije zelo visoka.

4.3.2.4 Hidroelektrarna z občasnim pretokom

Tudi teh elektrarn pri nas nimamo, ker izkoriščajo bibavico na morju, le-ta pa je pri nas

zelo majhna. Ob francoski obali, kjer znaša razlika vodne gladine med plimo in oseko

tudi do 18 m, lahko ta pojav pomeni izvor ogromne naravne energije, ki jo je mogoče

spremeniti v električno. Elektrarno se po navadi postavi na začetku naravnega zaliva,

kjer s pregrado ustvarjajo začasen jez in prisilijo morsko vodo, da teče preko turbin

(Razpet, 2007, str. 160 - 162).

4.3.3 Male hidroelektrarne

Ob velikih rečnih vodnih elektrarnah so postale pomembne elektrarne na manjših

vodotokih. Imenujejo se male vodne elektrarne. Razvrščamo jih glede na moč

generatorja električne energije:

MIKRO ELEKTRARNE (Pe > 125kW)

MINI ELEKTRARNE (125 – 1000kW)

MALE ELEKTRARNE(Pe < 10000kW)

Največ malih vodnih elektrarn je zgrajenih na Kitajskem (več kot 60000). V Sloveniji se

je gradnja malih hidroelektrarn zelo povečala koncem osemdesetih let. Tako je leta 1994

v Sloveniji obratovalo 412 mikro, mini in malih hidroelektrarn s skupno močjo 80 MW.

V letu 1994 se je z malimi vodnimi elektrarnami proizvedlo 24.8 GW električne energije

ali nad 10 % vse električne energije, proizvedene s hidroelektrarnami v Sloveniji. Vsako

sodobno malo vodno elektrarno sestavljajo naslednji elementi:

zajezitev vodotoka z jezom, grobo rešetko, peskolovom in čistilnim kanalom,

dovod vode z vstopno in s predturbinsko zapornico,

turbina, ki pretvarja vodno energijo v mehansko delo in poganja

generator,električne energije,

elementi za upravljanje in nadzor.

Tudi male vodne elektrarne izkoriščajo shranjeno potencialno energijo v vodi, ki se

nahaja na višji nadmorski višini, kot je nadmorska višina kraja, kjer je zgrajena

hidroelektrarna. Moč vodotoka določimo z izrazom:

(enačba 5)


- 42 -

nHQgP

kjer je: P moč male vodne elektrarne (W),

g težnostni pospešek (m/s²),

gostota (kg/m³),

Q izmerjeni pretok vodotoka (m³/s),

nH netopadec vodotoka (m).

Na izbiro turbine male vodne elektrarne vplivajo številni parametri, med katerimi sta

najpomembnejša neto padec in pretok vodotoka. V primeru, ko je neto padec vodotoka

majhen, bo potreben za enako moč turbine velik pretok vode. Ob tem bo pri manjšem

neto padcu nižja tudi hitrost vode na vstopu v turbino, tako da se mora pretok vode

skozi turbino še dodatno povečati. Pri velikem neto padcu vodotoka pa so velike tudi

vstopne hitrosti vode in hitrost lopatic, kar vpliva na izkoristek turbine. Zato se je za

izbiro najprimernejšega tipa turbine uveljavila specifična hitrost:

(enačba 6)

22nn

sHH

PnN

kjer je: sN specifična hitrost (1),

n število vrtljajev gonilnika ( 1min ),

P moč turbine (kW),

nH neto padec vodotoka (m).

Iz ekološkega vidika predstavlja izgradnja male vodne elektrarne trajni poseg v naravno

okolje. Z vodnogospodarskega vidika naj bi vodotoki tudi po izgradnji elektrarne

zagotavljali odvodno visoke vode in odpadne vode, pretok plavin, omogočali ribištvo,

rekreacije in turistične aktivnosti, načeloma tudi plovbo. Najizrazitejše okoljske

spremembe ob izgradnji male vodne elektrarne vodotoka in njegove okolice so:

znižanje gladine v strugi,

zmanjšanje hitrosti toka vode,

povečano odlaganje proda in mulja,

večja obremenitev vodotoka z odpadnimi vodami,

povečanje temperaturnih ekstremov vodotoka,

sprememba vsebnosti kisika v vodi,

vplivi na rečno in obrežno krajino,

znižanje nivoja podtalnice,


- 43 -

kvantitativna in kvalitativna sprememba favne in flore.

Posebej pomembno je ohranjanje minimalnega pretoka v delu vodotoka, ki teče mimo

hidroelektrarne po stari strugi. Tako so zagotovljeni ekosistemski pogoji življenja v

vodotoku in ob njem. (Medved, Novak, 2000, str.184-195; Jerkovič, 1996, 12-25)

SLIKA 33: PREDVIDENA PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE ZA MALE HIDROELEKTRARNE

(vir: http://www.aure.gov.si/eknjiznica/IL_5-03.PDF, 01. 06. 2009)

SLIKA 34: ZGRADBA MALE HIDROELEKTRARNE


- 44 -

1 – jez z zajetjem

2 – peskolov

3 – dovodni cevovod

4 – strojnica z opremo

5 – priključek na električno omrežje

6 – nizkonapetostni kabelski vod

8 – odvod vode nazaj v rečno strugo

4.4 HIDROELEKTRARNE V SLOVENIJI

Do sedaj je v Sloveniji 18 hidroelektrarn z močjo večjo od 10 MW. Vse so locirane na

treh rekah: Dravi, Savi in Soči. Predvidene pa so tudi hidroelektrarna na Muri in Idrijci.

Za slednje bo treba poiskati optimalne rešitve med vplivom na okolje in uporabo

obnovljivih virov energije. Ob velikih rečnih vodnih elektrarnah so postale pomembne

elektrarne na manjših vodotokih, male vodne elektrarne (MHE), gradnja katerih se je

zelo povečala konec osemdesetih let. Leta 1994 je v Sloveniji obratovalo 412 mikro,

mini in malih vodnih elektrarn s skupno močjo 80 MW, ki so proizvedle 29,8 GWh

električne energije ali nad 10 % energije proizvedene z vodnimi elektrarnami v Sloveniji.

Hidroelektrarne so postavljene večinoma tam, kjer so ugodni geografski pogoji in

hidroenergetski vplivi reke za koriščenje vodne energije. To so predvsem hriboviti

predalpski predeli Slovenije, le malo jih je v ravninskih predelih (Formin, Zlatoličje).


- 45 -

REKA HE LETNA

PROIZVODNJA

ENERGIJE (GWh)

MOČ NA PRAGU

HIDROELEKTRARNE

(MW) DRAVA Dravograd 142 26

Fala 260 58

Formin 548 116

Mariborski otok 270 60

Ožbalt 305 73

Vuhred 297 72

Vuzenica 247 56

Zlatoličje 577 114

SAVA Boštanj 115 33

Mavčiče 61 38

Medvode 72 25

Moste 64 21

Vrhovo 126 34,2

SOČA Doblar I. 150 30

Doblar II. 199 40

Plave I. 80 15

Plave II. 116 20

Solkan 110 31,5

SLIKA 35: HIDROELEKTRARNE V SLOVENIJI IN NJIHOV IZKORISTEK

(vir: WWW.DEM.SI; WWW.SAVSKE-EL.SI; WWW.HSE.SI; WWW.SENG.SI, 01. 06. 2009)

Iz tabele je vidno, da imajo največjo moč hidroelektrarne na Dravi, ki prav tako

proizvedejo največ električne energije, verjetno zato, ker jih je največ, in sicer osem, na

Soči in Savi pa po pet. Najmočnejši sta hidroelektrarna Formin in hidroelektrarna

Zlatoličje. Najmanjšo moč imajo hidroelektrarne na reki Soči, saj letno proizvedejo

655GWh, hidroelektrarne na Dravi pa 2421 GWh električne energije.


- 46 -

SLIKA 36: HIDROELEKTRARNE NA DRAVI

SLIKA 37: HIDROELEKTRARNE NA SAVI


- 47 -

SLIKA 38: HIDROELEKTRARNE NA SOČI

SLIKA 39: DELEŽ PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE HIDROELEKTRARN V SLOVENIJI

(vir: http://www.aure.gov.si/eknjiznica/IL_5-03.PDF, 01. 06. 2009)


- 48 -

5 HIDROELEKTRARNE NA VALOVANJE MORJA

Skoraj vsako gibanje vode se lahko uporabi za proizvodnjo električne energije. Veter, ki

piha nad morjem, povzroča valovanje na gladini. Valovi potujejo proti obali, voda pa na

nekem mestu na gladini samo niha gor in dol. To nihanje vode se lahko uporabi za

proizvodnjo električne energije, plovec ki ga položimo na gladino, niha z vodo. Če to

gibanje s prenosnim mehanizmom spremenimo v vrtenje generatorja, lahko ta proizvaja

električno energijo.

5.1 NAPRAVE, KI IZKORIŠČAJO VALOVANJE

Naprave, s katerimi izkoriščamo valovanje morja, so nameščene na morju ali ob obali.

Naprave izkoriščajo nihajoče navpično gibanje valov, krožno gibanje vodnih delčkov

znotraj vala, spreminjanje razdalje med vodno gladino in morskim dnom ter s tem

povezane spremembe tlaka, butanje valov v obalo.

5.1.1 Pritrjene naprave

5.1.1.1 Nihajoči vodni stolp ( Oscilating water column – OWC)

Nihajoči vodni stolp izkorišča nihanje vodnega stolpca kot posledico valovanja, kar je

razvidno že iz imena. Zgrajeni so ob obali na skalnatih območjih, ker morajo biti zelo

stabilni. Sama zgradba je dokaj enostavna, tako kot tudi princip delovanja: betonski

zaliv, ki sega v morje, komora, v kateri je zrak, in na vrhu komore turbina (Wellsova).

SLIKA 40: GRADNJA NAPRAVE OWC


- 49 -

Ko pride val, se nivo vode v betonskem zalivu dvigne, zrak potuje skozi turbino, nato se

turbina obrne in deluje tudi, ko val odteka, saj gre zrak iz komore in zopet poganja

turbino. Zato se v teh elektrarnah uporablja Wellsova dvosmerna turbina. Prednost je

zrak kot pogonski medij, zato so te naprave cenejše, saj zahteve pri materialu niso tako

visoke, kot pri uporabi morske vode.

SLIKA 41: DELOVANJE NAPRAVE OWC Prva naprava OWC je bila zgrajena na Škotskem z instalirano močjo 75 kW. Leta 2000

so zgradili novo (LIMPET), ki ima maksimalni izkoristek 500 kW. Tak način

pridobivanja električne energije je primeren za državno omrežje. Naprava je bila

optimizirana na letno povprečno jakost valov, ki znaša 15 do 25 kW/m (internet vir:

www.rise.org.au; http://www2.arnes.si/~rmurko2/VALOVI.htm, 20. 05. 2009).

SLIKA 42: NAPRAVA OWC NA ŠKOTSKEM

Wellsovo turbino potiska iztisnjen

zrak zaradi prodirajočega vala.

Prodirajoč val iztiska zrak iz

stebra naprave OWC.

Umikajoč val zrak sesa v steber,

ki ponovno poganja Wellsovo

turbino.


- 50 -

5.1.1.2 Sistem konusnega kanala (Tapered channel systems – Tapchan)

Sistem konusnega kanala je zgrajen iz bazena, ki je nekaj metrov dvignjen od gladine in

ima v bazen napeljan konusni kanal (slika 44). Po tem konusnem kanalu je

hidroelektrarna tudi dobila ime. Po kanalu se voda zaradi valovanja dviguje in polni

bazen. Kinetična energija vode se tako spreminja v potencialno. Voda iz rezervoarja

preko turbine (Kaplanove) teče nazaj v morje.

SLIKA 43: DELOVANJE TAPCHANA

Princip delovanja je zelo podoben principu delovanja konvencionalnih hidroelektrarn.

Zbrana voda poganja generator, pri TAPCHANU je frekvenca polnjenja in praznjenja

bistveno večja kot pri klasičnih hidroelektrarnah. Izbira lokacije za postavitev take

elektrarne je kar zahtevna. Valovi morajo biti dokaj konstantni, razlika med plimo in

oseko mora biti manjša od 1 m. Najbolj uspešen sistem izkoriščanja valov, z močjo

350kW, se nahaja na obali Norveške (internetni vir: www.rise.org.au;

http://www2.arnes.si/~rmurko2/VALOVI.htm, 20. 05. 2009).

SLIKA 44: TAPCHAN

Pečina, morska obala

Stožčast

kanal

Jez, rezervoar

Turbina, generator


- 51 -

5.1.1.3 Valovni valjar (Wave Roller)

Naprava je pritrjena na morsko dno, glavni del je kovinska plošča, ki niha na osnovi

valov na dnu morja. Izkorišča se kinetična energija s pomočjo ventilske črpalke. Wawe

Roller je samostojna naprava, kar v praksi pomeni, da jih je za pridobivanje električne

energije potrebno večje število vezanih v Roller polja Wave. AW – Energy je družba, ki

jih proizvaja in trdi, da je njihovo vzdrževanje zelo enostavno in je možno celo med

samim delovanjem. Roller Naprave Wave so primerne za območja, kjer je ponavljajoče

in močno valovanje (internetni vir: http://www.rise.org.au;

http://www2.arnes.si/~rmurko2/VALOVI.htm, 20. 05. 2009 ).

SLIKA 45: DELOVANJE VALOVNEGA VALARJA

SLIKA 46: VALOVNI VALJAR


- 52 -

5.1.2 Plavajoče naprave

5.1.2.1 Morska kača (Pelamis)

Ena od možnosti izrabe energije z gubanjem valov so plavajoče naprave, ki so povezane

s pregibnimi sklopi in nameščene na površini morja. Tako lahko morski valovi

kompletno napravo zvijajo. Med posameznimi sklopi je nameščen hidravlični cilinder. S

premikanjem teče delovna tekočina skozi cev, v katero sta integrirana turbina in

generator, ki je stisnjen v izravnalni cilinder. Pionirsko delo je pred nekaj leti opravilo

podjetje Pelamis Wave Power iz Edinburga na Škotskem. Razvili so projekt PELAMIS.

Elektrarna je po zunanjem videzu podobna kači. Zato je tudi dobila ime »Pelamis«, kar

po Grško pomeni morska kača. Štiri dolge jeklene cevi in trije »energijski pretvorni

moduli« z močjo 250 kW dajejo skupno moč okoli 750 kW/h. Naprava pod imenom P-

750 je dolga 150 m s premerom 3,5 m in s skupno maso 700 ton. Elektrarna Varzimna

na severnem delu Portugalske Porto vor Pavao je oddaljena 5 km od obale in je 40 m

globoko v morsko globino. Tri naprave z močjo po 750 kW. Elektrarna je v sredini

meseca oktobra leta 2007 uspešno prestala zadnji test in še istega leta pričela z rednim

delovanjem. Na portugalski obali računajo z izgradnjo elektrarn s skupno močjo do

15GW (internetni vir: http://www.rise.org.au; http://www2.arnes.si/~rmurko2

/VALOVI.htm, 20. 05. 2009 ).

SLIKA 47: DELOVANJE PELAMISA

POGLED S STRANI

Smer valovanja

POGLED OD ZGORAJ

Smer valovanja

ENERGETSKO PRETVORNI MODULI


- 53 -

SLIKA 48. PELAMIS

5.1.2.2 Salterjeva račka ( Salter duck)

Pri Salterjevi rački valovanje povzroča nihanje in harmonično rotacijo plovcev, ki so

pritrjeni na plavajočo betonsko platformo. Rotacijsko gibanje se uporablja za pogon

črpalke, ki tlači olje na tlak 150 - 200 barov. Ta energija se uporablja za pogon

hidravličnega motorja, ki poganja generator. Ta način izkoriščanja energije valov je leta

1970 na Škotskem razvil profesor S. Salter (internetni vir: http://www2.arnes.si

/~rmurko2/racke.htm, 20. 05. 2009).


- 54 -

SLIKA 49: DELOVANJE SALTERJEVE RAČKE

SLIKA 50: SALTERJEVE RAČKE NA MORJU

5.1.2.3 Valovni zmaj (Wave dragon)

Valovni zmaj je naprava, ki dviguje vodo morskih valov v rezervoar nad morsko

gladino. Iz tega rezervoarja voda nato odteka skozi večje število turbin nazaj v morje,

podobno kot pri kopenskih hidroelektrarnah ali tapchanu, in tako proizvaja električno

energijo. Valovni zmaj je zgrajen zelo enostavno, gibljivi del so samo turbine, voda

vstopa skozi klančino in se shranjuje v velikem rezervoarju. Klančina je zelo kratka in

močno strma, da minimira energijske izgube valov. Uporaben je na odprtem morju pod

ekstremnimi silami, npr. neurja. Postavljen je v globokih vodah (20 m – 30 m), da lahko

koristi moč morskih valov preden ti prispejo na obalo in izgubijo vso njihovo energijo.

Izkoristek je 4-11 MW, odvisno od aktivnosti valovanja (internetni vir:

http://www.rise.org.au; http://www2.arnes.si/~rmurko2/VALOVI.htm, 21. 05. 2009).

SLIKA 51: DELOVANJE VALOVNEGA ZMAJA

REZERVOAR

VSTOPNO MESTO

VALOV

TURBINA Z IZLIVOM


- 55 -

SLIKA 52: VALOVNI ZMAJ

5.1.2.4 Arhimedovo valovno nihalo (Archimedes wave swing – AWS)

Arhimedovo valovno nihalo proizvaja električno energijo z »vlačenjem morskih valov«.

Je enostaven sistem združenih zračnih komor, ki koristijo vztrajnostni efekt dvigovanja

morja. AWS je sestavljen iz dveh cilindrov, nižji cilinder je pritrjen na morsko dno,

medtem, ko je zgornji gibljiv in se pomika navzgor in navzdol pod vplivom valovanja

morja. Sočasno se premikajo magneti, ob vzdolžnem navitju, ki so pritrjeni na zgornji

cilinder. Kot smo že omenili so v AWS zračne komore, ki se pod vplivom vala oziroma

pritiskom morja stisnejo (zgornji cilinder se pomika navzdol) in nato prisilijo, da se

cilinder ponovno dvigne. Na osnovi takšnega nihanja cilindrov se tvori električna

energija (internetni vir: http://www.rise.org.au; http://www2.arnes.si/~rmurko2

/VALOVI.htm, 21. 05. 2009).

SLIKA 53: DELOVANJE AWS

NIHANJE

Spodnji cilinder z

navitjem

Zgornji cilinder

z magnetom


- 56 -

SLIKA 54: AWS

5.1.2.5 Mogočni kit (The mighty whale)

Ideja mogočnega kita se je razvila 1940 na Japonskem, ki je dosegla svoj tehnološki

razcvet v sedemdesetih. Od takrat je bilo uspešno testiranih veliko število prototipov.

Zanimivost pri tej napravi ni samo proizvajanje električne energije, temveč tudi zračenje

in čiščenje morja. Za napravo, kjer so vode mirne, je možen razvoj ribogojnic. Naprava

je dolga 50 m, široka 30 m in visoka 12 m. Na ustju naprave so 3 zračne komore.

Celotna površina vode na osnovi valovanja proizvaja pnevmatični tlak, ki poganja zračne

turbine. Maksimalni izkoristek je 110 kW (internetni vir: http://www.rise.org.au;


SLIKA 55: DELOVANJE MOGOČNEGA KITA

GENERATOR ZRAČNA TURBINA

ZRAČNA KOMORA ZRAK IZTISKA

ZRAK SESA

Porast nivoja vode v zračni komori

Padec nivoja vode v zračni komori


- 57 -

SLIKA 56: MOGOČNI KIT NA MORJU IN TRANSPORT

5.1.2.6 Energijska boja (Power buoy)

Energijska boja z nihanjem pretvarja valovanje morja v kontrolirano mehansko delo, ki

poganja generator električne energije. Proizvedeni enosmerni električni tok se pretvori v

dvosmernega, ki nato potuje po kablu na morskem dnu do kopnega. Ena sama boja

lahko proizvede do 40 kW električne energije. Ne delujejo samostojno, ampak so vezane

v sisteme po več boj skupaj (internetni vir: http://www.rise.org.au;


SLIKA 57: ENERGIJSKA BOJA IN POVEZANOST V POLJE


- 58 -

5.2 PREDNOSTI IN SLABOSTI

Naprave, ki izkoriščajo energijo valov, ne obremenjujejo okolja in lahko služijo kot

valolomi. Moč valov je relativno velika (80 kW/m valovne fronte). Najbolj primerna za

izkoriščanje so večinoma nenaseljena obalna področja, kar olajšuje načrtovanje naprav.

Slabosti naprav so predvsem neenakomerna proizvodnja električne energije in težave s

korozijo, ki jo povzroča morska voda. Pri napravah na odprtem morju sta zahtevna

vzdrževanje in prenos proizvedene električne energije do obale (Medved, Novak, 2000,

str. 203).


- 59 -

6 HIDROELEKTRARNE NA PLIMOVANJE MORJA

6.1 BAZENI Z ENOSMERNO DELUJOČIMI TURBINAMI

Bazeni z enosmerno delujočimi turbinami predstavljajo najstarejši in najpreprostejši

način izkoriščanja bibavice. Med plimo se jezero polni skozi kanale v jezu. Ko nastane

oseka (nivo vode v jezeru je višji kot v morju), voda iz jezera odteka skozi turbine nazaj

v morje. Taka elektrarna z močjo 17.8 MW je zgrajena na ustju reke Annapolis ob

severovzhodni obali ZDA. Ob plimi teče morska voda skozi odprtine 230 m dolgega

jezu v akumulacijsko jezero. Ko se bibavica znižuje se odprtine zapro. Ko je razlika med

gladinama jezera in morja večja od 1,5 m spustijo vodo skozi turbine, ki jih poganjajo

generatorji električne energije. Elektrarna doseže največjo moč pri razliki višin gladin

5,5m. Celoten delavni cikel je sestavljen iz petih ur delovanja turbin in generatorja in

šestih do sedmih ur polnjenja bazena in mirovanja turbin (Medved, Novak, 2000, str.

199).

SLIKA 58: DELOVANJE IN ZGRADBA HIDROELEKTRARNE Z ENOSMERNO DELUJOČIMI TURBINAMI

SLIKA 59: HIDROELEKTRARNA Z ENOSMERNIMI TURBINAMI NA REKI ANNAPOLIS V ZDA


- 60 -

6.2 BAZENI Z DVOSMERNO DELUJOČIMI TURBINAMI

Bazeni z dvosmerno delujočimi turbinami so mnogo dražji, z izgradnjo dveh bazenov

pa omogočajo stalno proizvodnjo električne energije. Zgornji bazen približno napolnijo

med srednjo višino vode in plimo, spodnji bazen pa praznijo med srednjo višino in

oseko. Pretvorba je v turbinah, ki so nameščene med obema bazenoma. Izvedenih je več

variant te osnovne zamisli, vse do prečrpavanja v času malih višinskih razlik. Vendar te

elektrarne delujejo s polovično močjo. Elektrarna La Rance v Franciji je prva delujoča

elektrarna na plimovanje, saj je začela delovati že leta 1966. Kot vse novosti so tudi ta

projekt na začetku obrekovali in ga ovrednotili kot fantazijski projekt. Potrebno je

poudariti, da izraba energije, ki jo dajeta plima in oseka, nikakor ni izum zadnjih

desetletij, saj so Francozi že v 12. stoletju na obalah Bretanije gradili mline na

plimovanje. Izvedba je bila preprosta, saj so z jezom zagradili manjši zaliv, ki se je med

naraščajočo plimo polnil. Ko je bila plima najvišja, so zaprli zapornice, voda, ki je

iztekala pa, je poganjala mlinsko kolo. Sedaj poznamo način izkoriščanja v obeh smereh.

Pri elektrarni Rance sega umetno jezero 20 km po reki navzgor in zadržuje 184

milijonov m³ vode. Pri vsakem ciklu bibavice proizvede 800 MWh električne energije.

Umetno jezero na ustju reke zapira 750 m dolga pregrada med rtoma Briantais in Brebis

v bližini Saint Maloja na obali Rokavskega preliva. Kar 24 turbin z instalirano močjo

240 MW je v 170.000 urah delovanja vsako leto proizvedlo 600 milijonov kWh

električne energije. Ta številka za današnje jedrske ali termoelektrarne ne pomeni nič

posebnega, a za elektrarno, ki jo poganja morje, je to svetovni rekord. Pomembno je

tudi, da se je velikanska investicija, ki je znašala 3,5 milijona frankov (kar je 50 % več kot

izgradnja jedrske elektrarne s podobno močjo), že amortizirala in je sedaj cena

električne energije na pragu elektrarne za 18 % nižja od povprečne vrednosti v Franciji.

Omeniti je treba, da je po treh desetletjih obratovanja elektrarna potrebovala temeljit

pregled, kjer se je ugotovila obraba delov v korozivnem okolju. S pregledom se je

nabralo veliko dragocenih izkušenj za nadaljnje projektiranje podobnih naprav. Nekatere

dele se bo dalo obnoviti, nekateri se bodo morali zamenjati z novimi. Če je znano, da

vsaka turbinska lopatica, meri približno 3 metre in tehta 2,7 tone, si je lahko

predstavljati, kakšno delo je to. Prva turbina se je odmontirala že januarja 1995 in se je

znova vgradila čez 12 mesecev. Na delu so tri skupine s po 15-imi monterji, ki bodo

delo, ki bi ga ena skupina opravila v 24 letih, opravili v desetih letih, ob tem pa bo

elektrarna ves čas obratovala z 80 % nazivne moči (internetni vir:

http://www2.arnes.si/~rmurko2/PLIMOVANJE.htm, 21 .05. 2009).


- 61 -

SLIKA 60: DELOVANJE HIDROELEKTRARNE LA RANCE

SLIKA 61: HIDROELEKTRARNA Z DVOSMERNO DELUJOČIMI TURBINAMI LA RANCE


- 62 -


Hidroelektrarne na bibavico ne obremenjujejo okolja z odpadno toploto in odpadnimi

snovmi. Jez lahko služi za transportne poti, delovanje ni odvisno od padavin. Vendar je

le malo primernih mest (ocenjeno je, da je na svetu primernih okoli 30 zalivov).

Hidroelektrarne na bibavico so dražje od klasičnih vodnih elektrarn. Dodatno težavo

predstavlja korozija naprav zaradi morske vode. Proizvodnja električne energije ni

enakomerna, a za jezom v izlivih rek se zbirajo rečne odplake, ki bi se drugače razredčile

v morju (Medved, Novak, 2000, str. 200).


- 63 -

7 HIDROELEKTRARNE NA TOPLOTNO ENERGIJO MORJA

Brez dvoma je toplotna energija morja od vseh vrst energij morja največja. Oceani

prekrivajo dve tretjini Zemeljske površine in predstavljajo največji ponor energije Sonca.

Celotna količina sončne energije, shranjene v oceanih, znaša okoli 201023,2 kWh ali

kar 146 krat več, kot je celotna energija, ki jo zemlja od Sonca sprejme v enem letu.

Zaradi absorpcije sončne energije se morje na površini segreje, z globino pa se

temperatura vode znižuje. V tropskih delih oceanov je temperatura vrhnje plasti vode z

debelino 100 m stalno med 27 Cº-29 Cº. Temperatura vode se močneje zniža šele pri

globini 150 m in doseže v morskih globinah 500–1000 m konstantno vrednost 6 Cº-

8Cº ( Internetni vir: http://www2.arnes.si/~rmurko2/MORJE.htm, 22. 05. 2009).

SLIKA 62: PRINCIP DELOVANJA SISTEMA OTEC


- 64 -

SLIKA 63: DELOVANJE IN ZGRADBA NAPRAVE OTEC


Med prednosti naprav OTEC lahko uvrstimo dejstvo, da je proizvodnja električne

energije zaradi velike akumulacije energije enakomerna. Plavajoče elektrarne ne zasedajo

ozemlja, za izgradnjo se lahko uporabijo poceni materiali. Pomembni stranski proizvod

je lahko sladka voda, hranljivo globoko morsko vodo lahko uporabljamo za proizvodnjo

morske hrane. Glavni slabosti teh naprav bi lahko bili nepoznan vpliv na morsko floro

in favno ter že omenjeni nizki izkoristek zaradi majhne temperaturne razlike med

hladnim in toplim rezervoarjem (2 do 3 %). V uparjalniku in kondenzatorju moramo

prečrpavati velike količine morske vode, zato do 30 % celotne proizvodnje elektrike

porabimo za pogon črpalk. Uporabljeni materiali morajo biti zaradi agresivnega okolja

korozijsko odporni (Medved, Novak, 2000, str. 205).


- 65 -

8 HIDROELEKTRARNE NA MORSKE TOKOVE

Morski tokovi so posledica vrtenja Zemlje, različnih gostot in temperaturnih razlik

morja. Celotni energijski potencial je zelo velik, vendar je gostota energije majhna. Za

izkoriščanje je trenutno raziskanih 12 primernih tokov. S tehnologijo, ki je znana, se

lahko iz njih pridobi 1.75 PWh. Moč morskega toka, ki jo je teoretično mogoče

izkoristiti lahko primerjamo z energijo vetra. Če se uporabi model tokovne cevi, je

največja moč vodnega toka enaka:

(enačba 7)

3max 27

8 vAP

kjer je: maxP največja moč vodnega toka (W),

gostota vode (kg/m³),

A presek tokovne cevi na mestu, kjer izkoriščamo energijo vodnega toka (m²),

v hitrost vodnega toka v preseku, kjer izkoriščamo energijo vodnega toka (m/s).

Ideja načina izkoriščanja energije morskih tokov je dokaj preprosta, vendar je izvedba

bistveno težja. Ideja je podobna kot pri izkoriščanju energije vetra, nekakšne podvodne

vetrnice. Izdelanih je že kar nekaj idejnih projektov, realizacije pa še ni. Omeniti je treba

še padala, ki so pritrjena na verigo, ki poganja generator na ladji. V smeri toka so padala

odprta in poganjajo generator, v nasprotni smeri so zaprta in tako povzročajo dokaj

mali upor (Medved, Novak, 2000, str. 205 - 206; internetni vir:

http://www2.arnes.si/~rmurko2/TOKOVI_MORJA.htm, 22. 05. 2009).

SLIKA 64: HIDROELEKTRARNE NA MORSKI TOK


- 66 -

SLIKA 65: HIDROELEKTRARNE NA MORSKI TOK


Ker še ne deluje nobena naprava, ki bi izkoriščala morske tokove, se lahko o prednosti

in slabosti razpravljamo le teoretično. Tako bi med prednosti teh naprav lahko bil

uvrščen enakomerni dovod energije, med slabosti pa zahtevne tehnologije in

nepredvidljive globalne ekološke posledice, če bi močno upočasnili tokove (Medved,

Novak, 2000, str. 206).


- 67 -

9 VODNI MOTORJI NA REAKTIVNI POGON

Večino ladij in čolnov poganja propeler. Ta ima lopatice pritrjene na os, ki se vrti z

veliko hitrostjo. Propeler se lahko poškoduje, če zadene morsko dno na plitvini ali se

vanj zapletejo alge ali vrvi. Razen tega so propelerji lahko zelo nevarni, če so v bližini

čolna ali ladje kopalci. Vodni motor na reaktivni pogon nima nobene od naštetih

pomanjkljivosti. Namesto da bi poganjal propeler, motor iz ladje potiska curke vode z

veliko hitrostjo. Na dnu plovila sesa velike količine vode, ki jo potem črpalke pospešijo

in stisnejo v ozke curke, pri čemer ima voda veliko hitrost. S pogonskim vodnim

curkom lahko plovilo tudi usmerjamo, tako da izhodne šobe obrnemo v eno ali drugo

stran. Največje in najhitrejše trajekte na svetu poganjajo vodni motorji na reaktivni

pogon. Princip je enak kot pri bojnih in potniških letalih, le da motor ne vsrkava in ne

izpihava zraka, ampak prečrpava ogromne količine vode. Ko motorji trajekta za prevoz

1500-ih avtomobilov delajo s polno močjo, vsako sekundo prečrpajo 85000 litrov vode.

Tako lahko vodna plovila dosežejo tudi zelo velike hitrosti npr. tekmovalni čolni

(Graham, 2000, str. 40 - 41).

SLIKA 66: VODNI REAKTIVNI MOTOR DELOVANJE

SLIKA 67: VODNI REAKTIVNI MOTOR DELOVANJE

A – vstop vode skozi ustje, B – črpalna enota z impelerjem, C – stator, D – izliv, E –

deflektor na krmi (vzvratna vožnja), F – sklopka (internetni vir:

http://www.hamiltonjet.co.nz/hamiltonjet_waterjet/how_a_waterjet_works, 22. 05.

2009).


- 68 -

10 VPLIV HIDROELEKTRARN NA OKOLJE

Gradnja vodnih elektrarn lahko vpliva na okolje na več načinov. Vplivi so vidni v

spremenjeni pokrajini in spremenjeni gladini talne vode, odražajo pa se tudi na

značilnostih vodotoka ter življenjskega prostora v reki in ob njej. Vodne elektrarne so

gospodarski objekti, ki so zgrajeni neposredno ob in na vodni površini. Nekateri strojni

deli vsebujejo tudi za okolje nevarne snovi. Nevarnost za okolje povzročajo predvsem

velike količine turbinskih in transformatorskih olj. Izlive v reko in v podtalnico ob

primerih okvar se preprečuje z ustreznimi lovilci olj, ki onemogočajo nekontrolirano

onesnaženje. Najbolj viden vpliv izgradnje in obratovanja vodnih elektrarn je postopno

zmanjševanje akumulacij, kar je še posebej očitno v širokih akumulacijskih jezerih.

Posledice zamejenosti so predvsem spremenjen življenjski prostor ob reki. Spremeni se

flora, ki je značilna za tekoče vode, saj jo preraste flora, značilna za stoječe vode, kar je

povsem nenormalno za določena geografska območja. Analize rečnega sedimenta so

pokazale, da vsebuje mulj visoke koncentracije toksičnih snovi, kot so spojine žvepla in

toksičnih kovin (svinec, kadmij …) ter visoke koncentracije snovi, kot so spojine

fosforja in dušika. Zaradi navedenih lastnosti se odloženi mulj šteje za odpadek s

povečano vsebnostjo škodljivih snovi. Težava nastane pri zajezevanju, ker obstaja tudi

nevarnost, da voda poruši jez. Hidroelektrarne ogrožajo tudi obstoj življenja, saj

zmanjšujejo količino kisika v vodi, zaradi česar pride do zadušitve rib. Z jezi se

preprečuje selitev rib in vpliv na mikroklimo. Pri novejših oblikah izkoriščanja vodne

energije, predvsem z energijo morja, vplivi na okolje še niso dovolj raziskani, večina

raziskav je na teoretični bazi. V primerjavi z uporabo fosilnih goriv je vpliv

predstavljenih hidroelektrarn na okolje bistveno manjši.


- 69 -

11 PREDSTAVITEV V OSNOVNI ŠOLI

Predstavitev hidroelektrarne in alternativnih oblik pridobivanja električne energije (voda)

v osnovni šoli bi potekala v sedmem razredu devetletke, pri predmetu tehnika in

tehnologija, pri učni snovi električni krogi in viri. Predstavitev bi se začela z razlago

osnovnih pojmov, vrst, delov in delovanja hidroelektrarne ter bi se nadaljevala z

alternativnimi pridobivanji električne energije, s poudarkom na izkoriščanju vodne

energije. Predstavitev bi potekala s pomočjo PowerPointa, kot ponazarjajo slike (slike

70-91). Po predstavitvi bi se za učence organiziral tehniški dan z ogledom

hidroelektrarne Fala.

OPERATIVNI

CILJI

DEJAVNOSTI VSEBINE SPECIALNODIDAKTIČNA

PRIPOROČILA

- prikaže pomen električne

energije za obstoj in razvoj

civilizacije - razloži vpliv pridobivanja

električne energije na okolje

- našteje najpomembnejša

področja uporabe

električne energije

- uporabnost električne energije - vpliv

pridobivanja električne energije na

okolje

- vsebine obravnavajo z zgledi iz okolja in literature

- opiše nekatere alternativne

načine pridobivanja

električne energije

- išče podatke o obremenjevanju

okolja z različnimi načini

pridobivanja električne energije

- alternativni viri (sončna,

vetrna, elektrarna na

bibavico)

SLIKA 68: UČNI NAČRT, 7. RAZRED OŠ

(internetni vir: http://www.mss.gov.si/, 25. 05 .2009)

11.1 HIDROELEKTRARNA FALA

Hidroelektrarna Fala je najstarejša elektrarna na slovenskem delu reke Drave. Graditi so

jo pričeli leta 1913, s prvimi petimi agregati je začela obratovati že leta 1918. Zaradi

naraščajoče porabe električne energije je bil leta 1925 dograjen šesti in leta 1932 sedmi

agregat. Po zaključku gradnje elektrarn na Dravi je postala pretočna zmogljivost turbin

na Fali premajhna glede na preostale elektrarne v dravski verigi. Zaradi izenačitve

pretokov s preostalimi elektrarnami je bil leta 1977 dograjen še dodatni osmi agregat s

Kaplanovo turbino, moči 17 MW. Od temeljite prenove ob koncu 90-ih let pa elektrarna

deluje le s tremi novejšimi agregati, ki izkoriščajo 14,6 m padca in imajo pri moči 58MW


- 70 -

letno proizvodnjo 260 milijonov kWh. Z zajezitvijo reke Drave je nastalo akumulacijsko

jezero dolžine 8,6 km, ki sega vse do zgoraj ležeče elektrarne Ožbalt. Vsebuje 4,2

milijona m³ vode, od katerih se lahko 0,9 milijona m³ izkoristi za proizvodnjo električne

energije. Jez je bil sprva zgrajen s petimi pretočnimi polji širine 15 m v visoki

konstrukciji, ki v obratovanju dopušča popoln dvig posamezne skupine zapornih tabel iz

pretočnega polja. Prepustna sposobnost vseh petih pretočnih polj je bila 5600 m³/s.

Natančnejši izračuni najvišjega možnega pretoka reke Drave so pokazali, da ti ne morejo

preseči 4500 m³/s. Zaradi potreb po povečanju turbinskega pretoka te elektrarne je bil v

letu 1977 vgrajen v eno pretočno polje dodaten proizvodni agregat z vertikalno

Kaplanovo turbino, kar je zmanjšalo prepustno sposobnost jezu na 4800 m³/s. Vse

zaporne table pretočnih polj so bile v letih od 1991 do 1994 zamenjane z novimi. V letu

1995 je bila turbina osmega agregata zamenjana z novo, boljših tehničnih karakteristik in

z večjim nazivnim pretokom. V novi strojnici sta vgrajena dva agregata z vertikalnima

Kaplanovima turbinama in nad njima nameščenima generatorjema. Z inštaliranim

pretokom 175 m³/s in skupno močjo 40 MW nadomeščata sedem starejših strojev. V

tem objektu je tudi montažni prostor za velika remontna dela (internetni vir:

http://www.dem.si/slo/elektrarneinproizvodnja/15, 02. 06. 2009).

Hidroelektrarna Fala je najlepši prikaz, kako je potekal razvoj proizvodnje električne

energije od prvih korakov iz leta 1918 do danes, iz tega razloga bi tukaj potekal tehniški

dan. Strokovno usposobljeni vodiči bi vodili učence v svet preteklosti proizvodnje

hidroenergije. Učencem bi pokazali film o tej hidroelektrarni, nato pa bi jih vodili mimo

turbine, nekaj metrov pod gladino reke Drave kjer bi si ogledali odlično ohranjene

generatorje za proizvodnjo električne energije, saj imajo urejen monumentalni prostor

prvotne strojnice z ohranjeno horizontalno Francisovo turbino. Obnovljena turbina z

delno odprtim turbinskim pokrovom omogoča vpogled v način delovanja elektrarne in

spreminjanja vode v mehansko energijo.

SLIKA 69: HE FALA DANES IN GRADNJA HE FALA 1916


- 71 -

11.2 PREDSTAVITEV V POWERPOINTU

• Hidroelektrarne (vodne elektrarne) so postroji, v katerih se potencialna ali kinetična energija vode pretvarja v električno energijo s pomočjo vodnih pogonskih strojev (mehanska energija v električno)

SLIKA 70: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – HIDROELEKTRARNA

Pretočne hidroelektrarne

Akumulacijske hidroelektrarne

Rečni tip Kanalski

tip Stebrski

tip

Kaverniški tip Visokotlačna hidroelektrarna s

površinsko zgradbo Prečrpovalne

hidroelektrarne Hidroelektrarna z občasnim pretokom

SLIKA 71: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – VRSTE HIDROELEKTRARN


- 72 -

SLIKA 72: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – ZGRADBA HIDROELEKTRARNE

Vodne turbine so pogonski stroji, ki pretvarjajo potencialno in kinetično energijo vode v mehansko energijo oziroma v delo.

BANKIJEVA TURBINA

Uporabljamo jih lahko za padce od 2m do 150m in velike pretoke.

SLIKA 73: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – BANKIJEVA TURBINA


- 73 -

PELTONOVA TURBINA

Peltonove turbine uporabljamo za padce od 40m do 250m, velike pa od 250m do 2000m.

SLIKA 74: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – PELTONOVA TURBINA

FRANCISOVA TURBINA

Francisove turbine

uporabljamo za padce od 50m do

500m.

SLIKA 75: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – FRANCISOVA TURBINA


- 74 -

KAPLANOVA TURBINA

Uporabljamo jih za najmanjše

padce to je do 70m in velike

količine vode

SLIKA 76: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – KPLANOVA TURBINA

DravogradFalaForminMariborski

otokOžbaltVuhredVuzenicaZlatoličje

BoštanjMavčičeMedvodeMosteVrhovo

Doblar I.Doblar II.Plave I.Plave II.Solkan

Seveda v Sloveniji obratujejo Seveda v Sloveniji obratujejo šše druge HE, e druge HE, tudi tako imenovane male hidroelektrarne, tudi tako imenovane male hidroelektrarne,

navedli smo le najvenavedli smo le največčje.je.

SLIKA 77: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – HIDROELEKTRARNE V SLOVENIJI


- 75 -

HIDROELEKTRARNE NA MORSKE TOKOVE

HIDROELEKTRARNE NA TOPLOTNO ENERGIJO MORJA

HIDROELEKTRARNE NA PLIMOVANJE MORJA

HIDROELEKTRARNE NA VALOVANJE MORJA

SLIKA 78: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – ALTERNATIVNE OBLIKE HIDROELEKTRARN

SLIKA 79: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – WAVE ROLLER


- 76 -

SLIKA 80: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – TAPCHAN

SLIKA 81: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU - OWC


- 77 -

SLIKA 82: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – PELAMIS

SLIKA 83: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – SATLER DUCK


- 78 -

SLIKA 84: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – WAVE DRAGON

SLIKA 85: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU - AWS


- 79 -

SLIKA 86: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – THE MIGHTY WHALE

SLIKA 87: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – POWER BUOY


- 80 -

BAZENI Z ENOSMERNO BAZENI Z ENOSMERNO BAZENI Z ENOSMERNO DELUJODELUJODELUJOČČČIMI IMI IMI TURBINAMITURBINAMITURBINAMI

SLIKA 88: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – BAZENI Z ENOSMERNO DELUJOČIMI TURBINAMI

SLIKA 89: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – BAZENI Z DVOSMERNO DELUJOČIMI TURBINAMI


- 81 -

SLIKA 90: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – HIDROELEKTRARNE NA TOPLOTNO ENERGIJO MORJA

SLIKA 91: PREDSTAVITEV V POWERPOINTU – HIDROELEKTRARNE NA MORSKE TOKOVE


- 82 -

12 ZAKLJUČEK

Živimo v času vse večjega povpraševanja po rabi električne energije, zadovoljiti potrebe

po povpraševanju pa postaja vse večja težava. Predvsem na osnovi sedanjega načina

pridobivanja električne energije na bazi neobnovljivih virov, zaradi onesnaževanja

našega okolja in njihovih kapacitet, ki iz dneva v dan strmo padajo. Iz predpostavke, da

bo potreba po energiji ostala nekje na isti ravni kot sedaj, nudijo še za približno 90 let

premoga, 30 let nafte in 40 let zemeljskega plina. A kaj bo v prihodnosti? Iz tega razloga

je nastalo diplomsko delo, ki raziskuje in razlaga novejše načine pridobivanja električne

energije, ki so okolju prijaznejši in gledano na kapacitete količinsko neomejeni. Mednje

se uvrščajo energija vetra, sonca, vode in geotermalna energijo. Diplomsko delo je

osredotočeno na energijo vode. Začenja se z raziskavo starejših oblik pridobivanja

električne energije na osnovi vodne energije, njihove tehnologije, njihovega delovanja,

njihove zgradbe … Ugotovljeno je, da gre predvsem za objekte (hidroelektrarne),

tehnologije katerih so obnovljene in izboljšane, vendar osnove segajo v konec 19.

stoletja in začetek 20. stoletja ter so omejene le na reke. Ugotovljeno je tudi, da so vodne

kapacitete v Sloveniji prav tako zelo velike in že skorajda izkoriščene (Drava, Sava,

Soča), izjema so še male hidroelektrarne. Prav tako so že močno obremenjene kopenske

vode ostalih držav sveta, z dovolj vodne kapacitete. Zato ljudje vidijo rešitev v energiji

morja. Diplomsko delo se nadaljuje z raziskavo možnosti in tehnologije izkoriščanja ter

pridobivanja električne energije s pomočjo energije morja. Ugotovljeno je, da so ljudje

pričeli veliko graditi na tem področju, saj je najdenih veliko naprav, ki so že v uporabi in

dobrih idej kako še izkoriščati ogromne kapacitete energije morja. To so naprave na bazi

plimovanja, valovanja, morskih tokov in toplote morja. Takšni načini pridobivanja

električne energije so bistveno prijaznejši do okolja.

Zavedati se je potrebno, da prihajajo generacije, na življenje katerih vplivamo danes,

eden izmed velikih dejavnikov pa je okolje v katerem živimo. Če se bo nadaljevala

gradnja le nove tehnologije na osnovi neobnovljivih virov, ne bo za našo prihodnost in

prihodnost kasnejših generacij narejeno nič dobrega. Zato diplomsko delo ponazarja in

približuje novejše tehnologije izkoriščanja okolju prijaznih obnovljivih virov. Če se bo

gradilo na tem se bo gradilo na boljši in čistejši prihodnosti.


- 83 -

13 VIRI IN LITERATURA

1. Medved, S. in Novak, P. (2000). Varstvo okolja in obnovljivi viri energije.

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo.

2. Graham, I. (2000). Vodna energija. Ljubljana: Tehniška založba Slovenije.

3. Jerkovič, B. (1996). Male hidroelektrarne. Maribor: Ministrstvo za gospodarske

dejavnosti Republike Slovenije.

4. Synwoldt, C. (2008). Mehr als Sonne, Wind and Wasser Energie fur eine neue

Ara. Wiley – VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

5. Struna, A. (1955). Vodni pogoni na Slovenskem. Ljubljana: Tehniški muzej

Slovenije.

6. Razpet, A. (2007). Elektroenergetski sistemi. Ljubljana: Tehniška založba

Slovenije.

7. Strnad, J. (1992). Fizika 1. del. Ljubljana: Društvo matematikov, fizikov in

astronomov Slovenije.

8. Tiwari, G.N., Ghosal M.K. (2007). Renewable energy sources. Oxsford: Alpha

Science International Ltd.

9. Brown, C. E. (2002). World Energy Resources. Berlin: Springer – Verlag.

10. Aubrecht II, G.J. (1995). Energy. Prentice – Hall.

11. Physikalisch - chemische Eigenschaften von Wasser. Pridobljeno 04. 05. 2009

internetni vir: www.koblenz.de/bilder/wasser_kap_1_1.pdf.

12. Objekti za pretvarjanje, merjenje in obnovljivi viri energije. Pridobljeno 12. 05.

2009 internetni vir: www.tehnika.fnm.unimb.si/projekti/energetika%2005/

objekti_za_pretvarjanje_merjenj e_in_obnovljivi_viri_energije.html.

13. Research Institute for Sustainable Energy; Energija valov. Pridobljeno internetni

vir 20. 05. 2009: www.rise.org.au;

http://www2.arnes.si/~rmurko2/VALOVI.htm.

14. Salterjeve račke. Pridobljeno 20. 05. 2009 internetni vir:

http://www2.arnes.si/~rmurko2/racke.htm.

15. Energija plimovanja. Pridobljeno 21. 05. 2009 internetni vir:

http://www2.arnes.si/~rmurko2/PLIMOVANJE.htm.

16. Toplotna energija morja. Pridobljeno 22. 05. 2009 internetni vir:

http://www2.arnes.si/~rmurko2/MORJE.htm.

17. Energija morskih tokov. Pridobljeno 22. 05. 2009 internetni vir:

http://www2.arnes.si/~rmurko2/TOKOVI_MORJA.htm


- 84 -

18. Elektrarna na plimo in oseko. Pridobljeno 15.05.2009 internetni vir:

http://www.e-m.si/stari/arhiv/03/2/092-96.pdf.

19. Obnovljivi viri energije ogrožajo živali, tradicionalni pa ljudi. Pridobljeno

19.05.2009 internetni vir: http://www.markosj.net/okoljevarstvo.htm.

20. Obnovljivi viri energije. Pridobljeno 07. 05. 2009 internetni vir:

http://www.ove.si/

21. Energija in okolje. Pridobljeno 19. 05. 2009 internetni vir: http://www.ee.uni-

lj.si/EIO_uni/EO_Predavanje01.pdf.

22. Hydro skript. Pridobljeno 04. 05. 2009 internetni vir:

http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hykp0301.html.

23. Water science for schools. Pridobčleno 04. 05. 2009:

http://ga.water.usgs.gov/edu/mwater.html.

24. Hidrogeologija. Pridobljeno 04.05.2009 internetni vir: http://www.geo.ntf.uni-

lj.si/tverbovsek/geografi/P-HG_geografi_12 01.2009.pdf.

25. Dravske elektrarne. Pridobljeno 12. 05. 2009 internetni vir:

http://www.dem.si/slo/.

26. Energetske transformacije. Pridobljeno 12. 05. 2009 internetni vir:

http://powerlab.fsb.hr/osnoveenergetike/wiki/index.php?title=ENERGETSK

E_TRANSFORMACIJE#Hidroelektrane.

27. Fujita resarch. Pridobljeno 15. 05. 2009 internetni vir:

http://www.fujitaresearch.com/reports/tidalpower.html.

28. Energetika.NET. Pridobljeno 20. 05. 2009 internetni vir:

http://www.energetika.net/novice/komentarji-strokovnjakov/hidroenergia-

2008-male-hidroelektrarne-bodo-v-prihodnje-pomemben.

Documents

aZÉ-Å UY]²»9 Å `d »ñ fÿJw½C×oÞÿh í2ªÙzºF¿o§¼à 2Å ð h Ú åÎ ...s fizikalnimi lastnostmi, ki so pomembnejše za proizvodnjo električne energije. Četrto poglavje