Vandens turbina yra skysčių mašinų turbininis mechanizmas. Maždaug 100 m. pr. Kr. gimė vandens turbinos prototipas - vandens ratas. Tuo metu pagrindinė jos funkcija buvo varyti grūdų perdirbimo ir drėkinimo mašinas. Vandens ratas, kaip mechaninis įtaisas, naudojantis vandens srautą kaip energiją, išsivystė į dabartinę vandens turbiną, o jo taikymo sritis taip pat išsiplėtė.
Praplaunant vandens turbiną potencialine arba kinetine energija, vandens turbina pradeda suktis. Kai vanduo teka per turbiną, kinetinė energija perduodama turbinai, o turbina suka generatorių, kuris kinetinę energiją paverčia elektros energija. Taigi, tai yra mechaninės energijos pavertimo elektros energija procesas. Energijos konversijos procesas yra toks: prieš srovę tekančio vandens gravitacinė potencialinė energija paverčiama vandens srauto kinetine energija.
Jei praplaunant turbiną pakelsime vandens lygį, padidės turbinos greitis. Todėl kuo didesnis vandens lygio skirtumas, tuo didesnę kinetinę energiją gauna turbina ir tuo didesnė konvertuojama elektros energija. Tai yra pagrindinis hidroenergetikos principas.
Vandens turbina yra skysčių mašinų turbininis mechanizmas. Kai vanduo teka per turbiną, kinetinė energija perduodama turbinai, o turbina suka generatorių, kuris kinetinę energiją paverčia elektros energija. Tai yra pagrindinis hidroenergetikos principas.
Prijungus generatorių prie vandens turbinos, generatorius gali pradėti gaminti elektros energiją. Hidrogeneratoriaus greitis nulems generuojamos kintamosios srovės dažnį. Siekiant užtikrinti šio dažnio stabilumą, reikia stabilizuoti rotoriaus greitį.
Generatorius suka turbinos (turbininiai varikliai). Hidroelektrinėse vandens srauto potencinę ir kinetinę energiją vandens turbinos verčia sukamojo judesio mechanine energija, o ši perduodama generatoriui. Generatorius - įmonė, gaminanti elektros energiją. Ją gamina sinchroniniai generatoriai, besisukantys pastoviu dažniu, kad būtų išlaikytas pastovus generuojamos įtampos dažnis (50 Hz).
Vandens turbina yra skysčių mašinų turbininis mechanizmas. Būna garo turbinos, dujų, hidraulinės, vienos pakopos arba daugiapakopės, aktyviosios, reaktyviosios ir kitos turbinos. Aktyvioji turbina susideda iš turbinračio (darbo rato) su mentėmis ir vienos arba kelių tūtų, pro kurias į turbinratį tiekiama darbinė medžiaga suka rotorių. Reaktyviojoje turbinoje yra kreipratis, kuriuo darbinė medžiaga nukreipiama į turbinračio mentes, jas slegia ir suka rotorių.
Mokslininkas L. Oileris 1751 metais išdėstė hidraulinės turbinos teorijos pagrindus. 1750 metais, vengras I. Zėgneris pagamino pirmąją aktyvinę hidraulinę turbiną. 1827 m. prancūzas B. Fiurnezonas išrado pirmąją reaktyvinę hidraulinę turbiną.
Vandens turbinos generatorių varo vandens turbina. Jo rotorius trumpas ir storas, įrenginio paleidimo ir prijungimo prie tinklo laikas trumpas, o operacijų paskirstymas lankstus. Be bendros elektros energijos gamybos, jis ypač tinka piko apkrovos mažinimo ir avarinio budėjimo režimais. Maksimali vandens turbinų generatorių galia siekia 700 000 kilovatų.
Istorinė vandens energijos panaudojimo raida Lietuvoje
Hidroenergetika turi savo istoriją, kuri glaudžiai susijusi su technikos plėtra. Čia didžiulį vaidmenį atliko vandens ratas - paprasčiausias hidraulinis variklis, vandens tėkmės energiją verčiantis mechanine energija. Vandens ratai jau buvo naudojami senovės Egipte, Kinijoje, Indijoje. Vandens malūnai statyti antikinėje Graikijoje ir Romoje.
Ypatjevo metraštyje minima, kad prie Būgo upės XIII šimtmetyje būta daug vandens malūnų. Kadangi tuo laikotarpiu lietuviai palaikė gerus ryšius su Rytų kaimynais, tikėtina, kad ir jie apie vandens malūnus žinojo ir galėjo juos statyti jau XII-XIII šimtmetyje. Žinoma, kad Prancūzijoje ir Anglijoje vandens malūnai grūdams malti veikė jau XI amžiuje.
Pirmosios rašytinės žinios apie Lietuvos upių energijos panaudojimą paskelbtos XIV šimtmečio pabaigoje. Kunigaikščiai ir stambieji feodalai, skatindami bajorus ir dvarininkus, dovanodavo jiems žemes su visais turtais. Dovanojimo raštuose būdavo minimi ir vandens malūnai. Klaipėdos krašte vandens malūnų I,storinė raida prasideda nuo 1256 metų, kai prie Danės upės buvo pastatytas pirmasis vandens malūnas. Tad visiškai tikėtina, kad vandens malūnai Lietuvoje buvo statomi XII-XII šimtmetyje ar net anksčiau.
Tačiau vandens energija plačiau pradėta naudoti tik XVI šimtmetyje. Tuo metu malūnais vadinti visi statiniai, kurių ratus sukdavo tekantis arba krintantis vandens srautas. Vėliau, XVI šimtmetyje, feodalų iniciatyva pradėta įrenginėti tobulesnes užtvankas ir vandens energiją išnaudoti ne tik grūdams malti, bet ir kitiems darbams, kaip grūdams malti, lentoms pjauti, milui velti, vilnoms karšti, taip pat geležies lydymo ir kalimo darbams. Beveik visi vandens malūnai Vilniuje buvo pastatyti prie Vilnelės upės, todėl ir jos krantu nutiesta gatvė jau XVI šimtmetyje pavadinta Malūnų gatve.
Kol nebuvo išrasta garo mašina, vanduo buvo svarbiausias (neskaitant raumenų jėgos) energijos šaltinis. Nuo XVI šimtmečio Lietuvoje plačiau buvo paplitę krintančio vandens tėkmės sukami ratai. Tokiais atvejais gaunama didesnė varomoji jėga. Tačiau, kad vandens tėkmė kristų iš viršaus, reikėjo vandens lygį pakelti aukščiau užtvankomis. Užtvankos dambos dažniausiai būdavo žemo slėgio (2-3 m aukščio), įrengiamos iš akmenų, žabų, rąstų ir kitų vietinių medžiagų. Jos paprastai būdavo daromos per visą upės ar upelio vagos plotį be jokių papildomų vandens praleidų. Vandens lygių pakėlimo aukščius reguliuodavo valstybės teisių kodeksas - Lietuvos Statutas. Hidrojėgainių pastatai būdavo mediniai su mūriniais aukštais pamatais, rečiau mūriniai.
Pirmosios hidroelektrinės buvo pastatytos 1876-1881 metais Vokietijoje (Laufene) ir Anglijoje (Greisaide), tačiau jos buvo mažos, vos po kelis šimtus vatų galios.
1841 m. statistikos žinios nurodo, kad Lietuvos gubernijose veikė 532 vandens energiją naudojančios įmonės (daugiausia malūnai) ir 161 vėjo malūnas. Vėlesniais (1857-1858 m.) surašymo duomenimis, Vilniaus gubernijoje buvo 715, o Kauno - 426 hidrojėgainės, t.y. nuo 1841 m. jų padaugėjo apie pusantro karto. Pavarčius Kauno gubernijos statistiką, paskelbta 1861 metais, matyti, kad čia buvo 234 vandens, 185 vėju ir 36 gyvulių jėga ir tik 1 (Kaune), garu varomos jėgainės. Kaune buvo 51 vandens malūnas ant Dubysos, Šušvės, Karklės, Varpės ir kt. upių. Miestuose vandens malūnų buvo nedaug (Vilniuje - 4, Šiauliuose - 1, Panevėžyje - 1). Daugiausia jų buvo dvaruose - 370, valstiečių dvaruose - 92 ir dvasininkų dvaruose - 64. Teritoriniu požiūriu daugiausia vandens malūnų buvo Vilniaus apskrityje - 122, Telšių - 90, Raseinių - 86.
Tuometinių hidrojėgainių vandens ratai buvo mediniai su horizontaliais mediniais velenais, geležimi apkaustytais galais. Ratus vandens srautas sukdavo dvejopai; tekėdamas iš apačios arba krisdamas iš viršaus stumdavo vandens rato perimetru įtaisytas briaunos plokšteles.
Lietuvoje dar iki šiol yra išlikę gerokai apgriuvusių hidrojėgainių. Jas reikėtų atstatyti kaip senųjų jėgainių reliktus, turinčius istorinę vertę.
Dėl įvairių priežasčių vėlesniu laikotarpiu vandens energija Lietuvoje buvo naudojama retai. Tik XIX šimtmečio pabaigoje ir XX šimtmečio pradžioje pradėtos įrenginėti pirmosios hidroturbinos. Manoma, kad 1900 m. Sukončiuose pirmą kartą Lietuvoje generatorių (dinamą) suko vandens ratas. 1910 m. pastatyta pirmoji hidroelektrinė Anykščiuose, po 1922 m. pastatytos Tauragės, Stinaičių, Kalvarijos HE ir kt.
1926 metų statistikos duomenimis, Lietuvoje tuo metu veikė 616 hidrojėgainių; malūnų, lentpjūvių, vilnų karšyklų, milo vėlyklų ir hidroelektrinių, visų bendra galia nesiekė 8000 AG. Iš Lietuvos 1935 metų elektros ūkio aprašymo sužinome, kad tais metais iš 309 elektrą gaminančių elektrinių 96 buvo hidroelektrinės ir mišrios hidrojėgainės, kuriose buvo įrengti 1432,2 kW bendros galios 102 hidrogeneratoriai, kurie pagamino apie 25% šalyje pagaminamos elektros kiekio - 33,3 mln. kWh; 22% to kiekio pagaminta panaudojus vietinius energijos išteklius, o likusi didesnė dalis - panaudojus anglis ir gazolį. 1939 metais Lietuvoje veikė 640 hidrojėgainių, jų bendra galia - 11860 AG.
1958 iš prieškarinių hidroelektrinių veikė 66. Svarbesnės iš jų buvo Grigiškių (450kW), Kudirkos Naumiesčio (324 kW), Ukmergės (310 kW), Tauragės (140 kW), Puskelnių (120 kW) hidroelektrinės. Geriau įrengtos buvo Marijampolės, Puskelnių ir Pabradės hidroelektrinės, kurios turėjo betoninius įtvarus, bei Grigiškių direvacinė (22m slėgio) hidroelektrinė. Be to, buvo rekonstruota iš malūnų arba pastatyta 35 naujos mažos hidroelektrinės, kurių bendra instaliuota galia >4500 kW. Šios hidroelektrinės buvo statomos prie didesniųjų gyvenviečių, kolūkių ir ūkių. Šių hidroelektrinių įtvarai buvo daugiausia betoniniai arba gelžbetoniniai, jose buvo įrengtos betoninės greitvietės (Pastrėvio HE), sifonai (Antalieptės HE). 1945-1959 metais pastatytos šios didesniosios hidroelektrinės: Baltosios Ančios (480 kW), Atanavo (400kW), Bublių pusiau derivacinė HE (360 kW), Pastrėvio (345 kW), Renavo (280 kW) hidroelektrinės. Svarbiausia to meto hidroelektrinė buvo direvacinė Antalieptės HE (2460 kw), kuri pradėjo veikti 1959.
1958 metais Lietuvoje dirbo 104 mažosios HE, kurios gamino 19 mln. kWh elektros per metus. Tuo laiku buvo apie 320 hidrojėgainių.
1960 m. balandžio mėn. 18d. pradėjo veikti Kauno hidroelektrinė. 1975 m. po rekonstrukcijos jos galia siekė 100,8 tūkst. kW.
Pagal 1958-1960 m. sudarytą sąrašą respublikoje veikė 329 hidrojėgainės (mažos hidroelektrinės, malūnai, lentpjūvės, vilnų karšyklos ir kt.).
Rusijoje 1913 metais buvo apie 50 000 vandens jėgainių, iš jų 17 000 įrengtos hidraulinės turbinos. Bendras jų per metų pagaminamos energijos kiekis siekė 35 mln. kWh, bendra instaliuotoji gali apie 16 MW. Tais pačiais metais pasaulyje jau buvo pastatyta daug gana didelių hidroelektrinių. Pavyzdžiui, 37 MW Adamso hidroelektrinė ant Niagaros krioklio, JAV. Ir jų bendra gali siekė 12 000 MW.
Didžiausios Lietuvos hidroelektrinės (1984) yra Kauno HE (100,8 MW; pradėjo veikti 1959) ir Kaišiadorių hidroakumuliacinė elektrinė (1600 MW; 1986).
Hidroelektrinių tipai ir klasifikacija
Hidroelektrinė - hidrotechninis statinys, energijos rūšies keitimo įtaisas, generatorius, krentančio vandens potencinę energiją verčiantis į elektros energiją. Mechaninį sukimo momentą sukuria krentančio vandens sukama vandens turbina, o ši sujungta su elektros generatoriumi.
Pagal slėgio kritimo aukščio sudarymo būdą hidroelektrinės skirstomos į:
- Vagines
- Derivacines
- Mišrias
- Hidroakumuliacines
- Potvynių-atoslūgių
Vaginės HE vandens slėgis sudaromas užtvanka, patvenkiančia upės, upelio srauto tėkmę ir pakeliančia vandens lygį iki viršutiniame bjefe numatytos amplitudės. Jos labai populiarios. Statomos prie pagrindinių upių žemumų, kur vandens nutekėjimas yra žemesnis.
Derivacinės skirstomos į: atviras, pusiau atviras ir uždaras. Paprastai statomos didesnių vingiuotų upių vagų ruožuose. Populiariausios pusiau atviros ir atviros derivacinės HE.
Mišrios HE tai tokios, kai dalis slėgio aukščio sudaroma užtvanka, o kita - derivaciniais įrenginiais.
Hidroakumuliacinės HE. Jų įrengimo principas toks: skirtinguose aukščiuose įrengiami du vandens baseinai: žemutinis ir aukštutinis. Mažo elektros energijos sunaudojimo valandomis vanduo siurbliais pumpuojamas į aukštutinį baseiną, o kai energijos reikia daug, vandens tėkmė iš aukštutinio baseino slėgimo vamzdiais teka į žemutinį baseiną per dvigubo veikimo hidroagregatus ir gamina elektros energiją. Praktiškai nakties metu hidroakumuliacinės HE veikia kaip siurblinės, o didelio elektros energijos pareikalavimo valandomis - kaip hidroelektrinės.
Potvynių-atoslūgių HE. Jūrose ir vandenynuose, mėnulio traukos veikiami, vandens lygiai svyruoja; pakyla arba nuslūgsta. Tokie pakilimai ir nuslūgimai ypač būna žymūs pakrančių įlankose. Taigi jie ir išnaudojami potvynių-atoslūgių HE įrengti. Jūrų ir vandenynų potvynių-atoslūgių energetinis potencialas yra neišsemiamas: jis nuolat atsinaujina, jo vidutinė galia siekia apie 1 milijardą kilovatų.
Be anksčiau išvardintų, dar statomos kaskadinės HE. Jos išnaudoja dviejų tvenkinių, įrengtų vienos upės ruože, potencinę energiją vienos HE galiai didinti. Mūsų respublikoje, taikantis pire jau įrengtų tvenkinių, priimtiniausias yra tarpinis tarp mišraus ir derivacijos HE tipas. Tačiau kiekvienu konkrečiu atveju reikia gerai apgalvoti, atidžiai, įvertinant vietines sąlygas, parinkti, suprojektuoti ir įrengti tinkamiausią HE.
Mažųjų hidroelektrinių klasifikacija
Mažąsias hidroelektrines galima klasifikuoti remiantis įvairias požymiais, pavyzdžiui, slėgio aukščio sudarymo būdu, hidrotechninių statinių išdėstymo schemomis, hidroelektrinės pastatų konstrukcijomis, galia, slėgio aukščiu, turbinų darbo rato skersmeniu ir kt. hidroelektrinės į dideles, vidutines ir mažas dažniausia skirstomos pagal įrengtą galią. Minimali mažosios HE galia gali būti keletas kilovatų, o maksimali - skirtingose šalyse nevienoda ir kinta nuo 1500 iki 30000 kW.
Lotynų Amerikos šalys naudojasi klasifikacija, pagal kurią mažosios HE (tai priklauso nuo įrengtos galios) skirstomos į tris kategorijas:
- Mikrohidroelektrines - iki 100 kW;
- Minihidroelektrines - 100-1000 kW;
- Mažąsias hidroelektrines - 1000-10000 kW.
Mažosios HE pagal slėgio aukšti skirstomos į žemo, vidutinio ir aukšto slėgio.
| HE | Žemas slėgis (m) | Vidutinis slėgis (m) | Aukštas slėgis (m) |
|---|---|---|---|
| Mikro | Mažesnis kaip 15 | 15-50 | Didesnis kaip 50 |
| Mini | Mažesnis kaip 20 | 20-100 | Didesnis kaip 100 |
| Mažoji | Mažesnis kaip 25 | 25-130 | Didesnis kaip 130 |
Prof. J. Burneikis Lietuvos sąlygomis hidroelektrines pagal įrengtą galią siūlo klasifikuoti taip:
- Mikro - iki 100 kW;
- Maža - 100-10000 kW;
- Didelė - daugiau kaip 10000 kW.
Pagal šią klasifikaciją tik didžiųjų Lietuvos upių (Nemuno ir Neries) hidroelektrinės galėtų būti priskirtos didelėms, o visos kitos yra mažosios ir mikrohidroelektrinės.
Mažųjų hidroelektrinių privalumai ir trūkumai
Maža HE - sena, gerai išbandyta elektros energijos gamybos technologija. Šiuo metu jos statomos aukštesnio techninio lygio, pasitelkus laimėjimus energetinių, reguliavimo ir valdymo įtaisų gamybos, statybos industrializavimo srityje. Dėl šių ir kitų privalumų mažos HE tampa daugeliu atvejų ekonomiškesnės ir rentabilios.
Lyginant mažas HE su kitais decentralizuotais energijos šaltiniais, reikia atsižvelgti į tokius privalumus:
- Organinio kuro ekonomija,
- Švari ir atsinaujinanti energija,
- Arti vartotojo,
- Ilga tarnavimo laikas,
- Nesudėtinga technologija,
- Automatizuotas valdymas,
- Praktiškai jokios neigiamos įtakos aplinkai,
- Kompleksiškumas su kitomis vandens ūkio šakomis.
HE gerai įsilieja į aplinką, užtvankos, tvenkiniai - nedideli, tad HE poveikis aplinkai - visiškai nežymus. Tai pripažinta ne tik daugelyje Europos šalių, bet ir Lietuvoje. Šalyje mažų HE pagaminta energija superkama palankiu tarifu, jos atleistos nuo mokesčio už vandens naudojimą. Nors hidroelektrinių statyba reikalauja didelio kapitalo, tačiau dėl savo pigios elektros gamybos savikainos investicijos atsiperka per 8-10 metų.
Neigiamos savybės būtų šios:
- Maža galia,
- Elektros gamybos priklausomybė nuo hidrologinių sąlygų,
- Palyginti aukšta 1 kWh kaina,
- Brangus projektavimas.
Nauji atsinaujinantys energijos šaltiniai - saulės, vėjo, geoterminiai - kol kas dar negali konkuruoti su maža HE, kuri pasižymi gerokai mažesnėmis suminėmis išlaidomis, gerai įsisavinta technologija, patikimumu, automatizuotu valdymu. Hidroenergija yra koncentruotesnė energijos forma negu, tarkime, vėjo, saulės energija.
Vanduo - energijos nešėjas
Vanduo - labiausiai gamtoje paplitęs skystis. Jis yra paprastos cheminės sudėties (H2O), tačiau universalus, labai reikalingas, net būtinas, nes beveik visi procesai vyksta betarpiškai jam dalyvaujant. Veikiamas šilumos jis keičia savo pavidalą. Šilumą jis gali kaupti ir atiduoti aplinkai. Jis ir skystis, ir dujos - garai, ir kieto pavidalo - ledas. Vanduo gali generuoti energiją ir atlikti darbą dėl savo masės sunkio, tėkmės srauto greičio ir inercijos jėgų. Tokios vandens savybės plačiai panaudojamos technikoje mechaninei hidroenergijai ir elektros energijai gauti.
Vanduo upėje teka dėl savo sunkio ir upės nuolydžio atlikdamas darbą trinčiai tarp tekančio vandens molekulių (klampumui), hidrauliniam pasipriešinimui upės vagoje įveikti, nešant ir ridenant upės dugnu nešmenis, plaunant upės vagą ir kt. Šiam darbui reikalinga energija priklauso nuo tekančio upe vandens kiekio ir upės kritimo.
Visą vandens tėkmės mechaninę energiją sudaro potencinė ir kinetinė (tėkmės greičio slėgis) energijos. Mūsų gamtinėmis sąlygomis esant palyginti mažam vandens tėkmės greičiui upių kinetinė energija yra maža palyginti su potencine, be to, sunku ją panaudoti (vandens ratai, vandenyje panardinti įvairios konstrukcijos rotoriai ir kt.). O užtvenkus upę galima sukaupti daug vandens ir sudaryti tam tikrą vandens kritimą upės skerspjūvyje, kitaip tariant, sudaryti technines sąlygas upės potencinei energijai naudoti.
Vandens galios tyrinėjimai Lietuvoje
Išnagrinėti šalies upių ir upelių, ilgesnių kaip 20 km arba kurių baseinų plotas didesnis kaip 50 km2, pagrindiniai hidrografiniai ir hidrologiniai rodikliai bei hidroenergijos ištekliai. Minėto didžio upių šalyje - 472. Šių upių techniniai hidroenergijos ištekliai įvertinti 2647 mln. kWh/metus.
Tenka pripažinti - Lietuvos upės nėra energetiškai pajėgios, o hidroenergetika nebus šalies elektros sektoriaus pa...