Мале хидроелектране�Хидроелектране на плиму и осеку�Енергија таласа � �

Осмоза и добијање енергије помоћу осмозе

Конверзија топлотне енергије океана

Мале хидроелектране (МХЕ)

• Мале хидроелектране омогућавају претварање енергије кретања воде у електричну енергију.
• За разлику од великих хидроелектрана, због чије се изградње потапа велики део земљишта и тиме озбиљно нарушава еколошка равнотежа, за мале хидроелектране тај предуслов није потребан.
• Карактерише их проточни рад или веома мала акумулација, тако да имају мали утицај на водоток.

Класификација МХЕ

• Главни параметар на основу ког се дефинишу мале хидроелектране је инсталирана снага.

Својства МХЕ

1. Постројење МХЕ се састоји ниског преливног прага који служи да успори водоток пре уласка у доводни канал, доводни канал или цевовод.
2. Ако је доводни канал затвореног типа, служи само за вођење захваћене воде по обронцима и већим делом је укопан, а може бити и потпуно укопан.
3. Ако је доводни канал отвореног типа, онда је предвиђен за веће количине воде и налази се на мање стрмим теренима.
4. Притисни цевовод је потребно да буде што мањих димензија и предвиђен је да воду доводи најкраћим путем до машинске зграде, односно турбине.
5. Машинска зграда је мањих димензија и манипулисање у њој је у потпуности све аутоматизовано.
6. Одводни канал је отворен и кратак и њиме се враћа вода из машинске зграде у водоток.

​

Геодетски пад и снага МХЕ

• Снага мале хидроелектране је пропорционална:
• протоку воде (количини воде која се доведе до турбине) и
• висинској разлици између површине где се вода узима и излазног места (доње површине водотока).
• Висинска разлика између површине где се вода узима и излазног места зове се геодетски пад.
• Према геодетском паду мале хидроелектране се деле на МХЕ:

1. високог пада 100 m и више,

2. средњег пада 30-100 m и

3. ниског пада 2-30 m.

​

Острвски и паралелан рад МХЕ

• Према режиму рада МХЕ се деле на:

1.МХЕ на изолованој мрежи (острвски рад) и

2.МХЕ повезана на електроенегетски систем (паралелан рад).

​

Елементи МХЕ

Елементи МХЕ - водохват

• Воду заустављену браном прима водозахват и упућује је према МХЕ.
• Водозахват може бити на површини воде или испод површине воде.
• Водозахват на површини воде се изводи код ниских брана, јер је ниво воде сталан, док се захват испод површине воде изводи код високих брана, јер ниво воде није сталан.
• Обично се захват поставља на коти испод које се неће спустити ниво воде ни у најкритичнијим, сушним периодима.

Елементи МХЕ- довод воде

• Довод воде спаја захват са водном комором (водостаном), од чијег димензионисања зависи правилно функционисање МХЕ.
• Може бити изграђен као тунел или канал. Тунел може бити гравитацијски или притисни.

Елементи МХЕ- водостан

• У случају затварања турбина, нагло расте притисак у доводном каналу и може доћи до деформације и пуцања цеви.
• Да се то не би десило, водостан има улогу да ограничи раст притиска.
• Водостан се гради на месту где тунел прелази у цевовод под притиксом.
• Вода у водостану има директан контакт са атмосферским притиском и у случају пораста нивоа воде, тј. притиска, услед затварања турбина, вода се излива из њега.

Водостан

• Вода у водостану је у додиру са атмосферским ваздухом.
• Приликом затварања турбина, ниво воде у водостану се подиже. На тај начин се кинетичка енергија претвара у потенцијалну енергију воденог стуба у водостану.
• При отварању турбине, треба водити рачуна да не дође до потпуног пражњења водостана, јер би тада ваздух ушао у цевовод и изазвао опасне ударе.

​

Елементи МХЕ- притисни цевовод

• Притисни цевовод служи за транспорт воде из водне коморе до турбине.
• Може бити изграђен од челика, а за мање падове и од бетона.
• На улазу у притисни цевовод налази се затварач, који спречава доток воде, у случају хаварије.
• Генератор се смешта заједно са турбинама у машинску зграду.

Елементи МХЕ- машинска зграда и одводни цевовод

• МХЕ су аутоматизоване и због тога нема потребе да постоје посебне просторије за запослене и зато су обично машинске зграде за МХЕ сведене на малу површину. Поред тога, обично су турбине интегрисане са генератором и не заузимају много простора у машинској згради.
• Одводни канал одводи воду из турбине и враћа је у водоток. У случају да је машинска зграда смештена уз сам водоток, одводни канал је кратак, бетониран.

​

Елементи МХЕ- турбине

• Турбине су ротационе машине које добијају енергију од кретања воде. Омогућавају трансформацију кинетичке енергије воде у механичку енергију ротирајућих делова турбине. Избор турбине зависи од протока воде, пада и других фактора.
• Вратило турбине је спојено са генератором, у коме се механичка енергија претвара у електричну.
• Према начину претварања енергије и према промени притиска воде, при проласку кроз радно коло, водне турбине се деле на реакцијске (Франсисова, Капланова и Пропелерна турбина) и турбине слободног пада –акцијске (Пелтон турбина) или импулсне турбине.

​

Еколошки утицаји МХЕ�Предности примене МХЕ

1. МХЕ производе електричну енергију, а да при томе не емитују угљендиоксид у околину.

2. Применом МХЕ се смањује потрошња фосилних горива.

3. Изградња МХЕ помаже у заштити од поплава, при томе не захтевају коришћење великих површина.

4. Сигурније је снабдевање електричном енергијом, а погонски трошкови мали.

​

За смањење утицаја на животну средину, уводе се:�

1. пролази за рибе,

2. технике за смањење буке и вибрација,

3. скупљање и складиштење смећа,

4. пријатељске турбине за рибе,

5. вишенаменски погони итд.

​

Хидроелектране на плиму и осеку

• Хидроелектране на плиму и осеку користе пад и пораст нивоа мора, проузрокован месечевим менама, за претварање у електричну енергију и друге облике енергија.
• У зависности од географског положаја, разлика нивоа мора током плиме и осеке варира од 4,5-12,5 m.
• Временски размак између плиме и осеке је 12 сати на западноевропској обали Атланског океана, док је на обалама Индокине 24 сата.
• За економичну производњу електричне енергије потребно је да минимална висинска разлика плиме и осеке буде 7 m.
• Процењено је да на свету постоји 40 локација погодних за инсталацију плимних електрана.

​

Главна подела хидроелектрана на плиму и осеку

1. хидроелектране које користе разлику хидростатичког потенцијала између базена и мора и

2. хидроелектране које користе кинетичку енергију кретања воде.

​

Конвенционалне хидроелектране на плиму и осеку

• Конвенционалне хидроелектране имају брану са турбинама кроз које вода може да струји у два супротна смера. Брана спречава улаз воде у базен и омогућава да се створи потребна висинска разлика нивоа мора и воде у базену.
• Електрична енергија се генерише покретањем турбина при протицању воде из мора у базен и обрнуто, а то кретање воде је проузроковано ротацијом Земље, тј. од плиме и осеке.
• Максимална производња електричне енергије је сваких 12 h, са стајањем на половини тог периода, када је висина воде са обе стране бране једнака.

Конвенционалне хидроелектране на плиму и осеку

• Плимске хидроелектране (ПХЕ) - Залив (3) се преграђује на погодном месту, браном (2), у коју су уграђени агрегати (4). За време плиме вода из мора улази у залив (3). Након повлачења плимског таласа, настаје разлика између нивоа воде у мору (1) и нивоа мора у заливу (3). Вода се пушта кроз турбине у море и при томе се ствара електрична енергија у агрегату (4). Некада се уграђује и реверзибилни агрегат, који може наизменично да ради и као турбина и као пумпа.

Неконвенционалне хидроелектране на плиму и осеку

• Принцип рада ових хидроелектрана је исти као ветроелектрана, које раде искоришћавајући стују ваздуха.
• Турбине се постављају на местима где је морска струја јака и на дубинама 20 m до 30 m. Лопатице турбина су подесиве, радијуса 10 m. Због споре ротације лопатица, ове турбине немају негативан утицај на миграцију риба, а такође не омета пролаз бродова, јер се налазе на великој дубини. Производе 3 до 4 пута више енергије од конвенционалних хидроелектрана на плиму и осеку. Међутим, постоји велики проблем одржавања због потребе да се сви послови обављају под водом.

Вентуријев уређај (Мисисипи, САД)

• Омотач око турбине отклања воду која не би пролазила кроз ротор турбине. У односу на отворену турбину, која је без овог омотача, турбина са омотачем производи 3 до 4 пута већу снагу, радећи у оба правца. Вентуријев омотач омогућава стварање подпритиска иза турбине.

Енергија таласа

• Користи се феномен утицаја ветра на површину воде мора или океана, на локацијама где таласи имају довољну снагу и где су чести.
• У зимском периоду има више таласа и у том периоду су снажнији, а то се поклапа са периодом највеће потрошње електричне енергије.
• Кинетичка енергија таласа почиње ефикасно да се трансформише у електричну енергију, када је висина таласа већа од 1m.

Фактори који утичу на висину таласа

• Висина таласа зависи од брзине ветра, трајања дувања ветра, густине ветра,топографије морског дна. Таласи расту до одређене брзине ветра. Већи таласи имају већу снагу.
• Најјачи таласи су на површини воде. Снага таласа се преноси вертикално и хоризонтално. На слици се може видети кретање честице у воденом таласу. Са А је означено кретање честице у дубокој води, а са В у плиткој води.
• Са дубином таласа, његова енергија опада и на дубини од 50 m износи 2% од енергије непосредно испод површине.

Модулација и енергетски флукс

• Облик таласних амплитуда се зове модулација.
• Средња вредност транспорта енергије кроз верзикалну раван по јединици ширине таласа се зове снага таласа или енергетски флукс, који је потпуно другачија величина од снаге добијене на неком уређају, који користи енергију таласа.
• Процењено је да је укупна снага таласа око 2.700.000 MW и да од те вредности може бити искоришћено само 500.000 MW за производњу електричне енергије.

Салтерова патка или терминатор

• Поставља се окомито на смер таласа, умирује таласе, тако да је мирније море са друге стране.
• Делови у облику капљице су спојени сајлом. Нос капљице је окренут према надолазећим таласима.
• Процес њихања капљица може да сакупи и до 90% енергије таласа, који се користе за компримовање хидрауличког уља. Када притисак у уљу достигне одређену вредност, улази у хидраулични мотор, који омогућава да се произведе електрична енергија.

Електране на таласе на морској обали

• Таласи омогућавају дизање нивоа воде у затвореном стубу, због чега се ваздух потискује и на тај начин покреће турбину, која се налази на врху стуба.
• За правилан и ефикасан рад турбине, неопходно је одабрати погодну локацију са већим таласима и већом дубином.

Велсова турбина

• Велсова турбина је двосмерна турбина, која може да се стално окреће, без обзира да ли ваздух улази или излази из простора у коме је смештена турбина.
• Лопатице Велсове турбине су аеропрофили. Име је добила по професору Алану Артуру Велсу, са Универзитета у Белфасту. Прву примену је нашла на пробној електрани на таласе Лимпет, 1991. године.

Љуљајући уређај

• Рад овог уређаја се заснива на претварању кинетичке енергије таласа у рад зауставне плоче и хидрауличне пумпе, која покреће генератор.
• Познато је да постоји експериментални модел овог постројења у Јапану, али технички подаци о конструкцији нису познати.

​

Плутаче

• Снага ових уређаја је око 50 kW. Постоји могућност постављања великог броја плутача на одређеној површини. На тај начин се надокнађује мала појединачна снага сваког уређаја.
• Њихово вертикално или хоризонтално кретање узроковано таласима покреће генератор унутар структуре, претварајући механичку енергију у електричну.
• Погодни су за постављање светионика, мамаца за рибе, сонаре и комуникацијске репетиторе.

Архимедова таласна љуљашка

• Архимедова таласна љуљашка се састоји од цилиндричне, напуњене коморе, који се вертикално помера у односу на усидрени цилиндар, мањег пречника. Ваздух у горњем цилиндру, омогућава његово плутање. Ширина тог цилиндра је од 10-20 m.
• Када талас пређе преко плутаче, дубина њене уроњености у воду се мења, односно висина стуба воде изнад ње се мења, а тиме се мења притисак и покреће цилиндар горе-доле.
• Релативно кретање између усидреног и плутајућег дела се користи за производњу енергије.

Морска змија (Пеламис)

• Ваљкасте секције овог уређаја плутају на површини воде и зглобно су повезане. Таласи стварају релативно кретање ваљкастих секција, омогућавајући да пумпа помера уље кроз хидраулични мотор, који покреће генератор. Електрична енергија се преноси једним каблом на спојницу, на морском дну.
• Овај уређај претвара вертикално померање таласа у хоризонтално померање клипова пумпи.
• Поставља се увек паралелно ширењу таласа. Димензије уређаја: 120 m дужине, пречника 3,5 m и масе 750 t, максимална снага је 750 kW.

Уређај у облику змаја

• Уређај се може поставити као једна целина или као низ од 200 јединица и тада би имао капацитет као традиционална електрана на фосилна горива. Примењена је Капланова турбина.
• Уграђена су и два таласна рефлектора, који усмеравају таласе према рампи. Иза рампе је велики резервоар, који се налази изнад нивоа мора, сакупља и привремено складишти усмерену воду, која затим излази преко хидротурбина и напушта резервоар.
• Редослед корака у претварању енергије таласа у електричну енергију:

1. преливање,

2. складиштење у резервоару,

3. добијање снаге преко турбине са ниским падом.

​

​

Уређај у облику змаја

• Главне компоненте уређаја у облику змаја:

1. Главно тело са двоструко закривљеном рампом је изграђено од армираног бетона или челика,

2. Два таласна рефлектора су изграђена такође од армираног бетона или челика,

3. Систем за сидрење,

4. Пропелерне турбине,

5. Генератори са сталним магнетом.
1. Тежина уређаја у облику змаја, његовог главног дела и рампе, у Данској износи 150 t. Тежина воде у резервоару је 87 t.

​

Осмоза и дифузија

• Дифузија је мешање две или више материја, при чему честице путују из подручја са већом концентрацијом у подручје са мањом концентрацијом. Процес дифузије престаје када се постигне иста концентрација растворене супстанце у сваком делу. Дифузија има највећу брзину одвијања у гасовима, док је код течности знатно спорији и због тога се течност загрева и меша, како би се убрзала дифузија.
• Осмоза је дифузија молекула растварача кроз полупропустљиву мембрану, при чему кроз полупропусну мемрану пролазе честице растварача (воде), али не и молекули растворене супстанце. Осмоза се јавља при различитим концентрацијама растворене сустанце. Молекули растварача се крећу из средине са мањом концентрацијом у средину са већом концентацијом растворених супстанци.
• Као и код дифузије, крајњи циљ осмозе је успоставаљње хомогеног раствора. Међутим, основна разлика између дифузије и осмозе је да се код дифузије молекули растварача и растворене супстанце крећу слободно, док код осмозе полупропустљива мембрана омогућава само кретање растварача.

​

Осмоза и добијање енергије помоћу осмозе

• При осмози растварача кроз мембрану долази до пораста нивоа течности са једне (морске) стране мембране.
• Пораст нивоа течности са једне стране ствара хидростатички притисак, који се супротставља осмози, тј. који делује на мембрану.
• Када се ова два притиска изједначе, наступиће равнотежно стање. Процес осмозе се зауставља и не долази до подизања нивоа течности са једне стране. Притисак при коме се успоставља ова равнотежа се зове осмотски притисак.

Салинитет

• Салинитет је степен сланости воде. Представљен је масеним уделом соли у одређеној маси узорка воде. Изражава се у промилима (‰).
• Због тога, салинитет од 1 промила значи да је у килограму воде растворен 1 грам соли.
• Просечна сланост морске воде је 35 ‰.
• Сланија су она мора која примају мању количину падавина и која имају мањи доток слатке воде и која интензивније испаравају, нпр. салинитет Црвеног мора је 40 ‰. Салинитет Балтичког мора је 6 ‰, јер вода из њега слабије испарава и има велико дотицање слатке воде.

Електране које раде на принципу осмозе

• Електране које раде на принципу осмозе се сатоје од два резервоара, која су испуњена водом различитих салинитета.
• Због различитих концентрација соли у резервоарима, долази до појаве осмозе.
• Раставарач се креће из резервоара мање концентрације у резервоар веће концентрације, кроз полупропустљиву мембрану.
• Долази до пораста нивоа течности у једном резервоару, чиме се ствара хидростатички притисак, који се супротставља осмози, тј. осмотском притиску.
• Слатка вода почиње да протиче у резервоар са сланом водом. Притисак који се јавља у резервоару са сланом водом, једнак је притиску на дубини од 120 метара под морем и користи се за покретање турбине.

Електране које раде на принципу осмозе

• На свим местима где се мешају слатка и слана вода, могуће је градити осмотске електране.
• То је у потпуности обновљива енергија, без емисија штетних гасова и у потпуности неутрална према околини.
• Годишњи потенцијал осмотске енергије је 1.600 милијарди kWh, а то је половина годишње производње енергије у Европској унији.

Конверзија топлотне енергије океана

• Конверзија топлотне енергије океана (Ocean thermal energy conversion-OTEC) се заснива на добијању електричне енергије помоћу температурске разлике између дубоких и плитких слојева воде у океанима, која се користи за покретање топлотних машина и генератора.
• Најчешћа температура површине воде океана је 27°С, а температура у дубоким водама је испод 5°С. Овај начин производње електричне енергије има велики потенцијал, јер 70% Земљине површине заузимају мора и океани.

Затворен систем конверзије топлотне енергије океана

• У затвореном систему за конверзију топлотне енергије океана се користи најчешће амонијак, због ниског степена кључања.
• Топла морска вода са површине пролази кроз размењивач топлоте и амонијак испарава захваљујући ниској температури кључања. Тако настала пара покреће турбогенератор.
• Хладна морска вода из већих дубина се упумпава кроз други размењивач топлоте и кондензује пару амонијака, претварајући је опет у течно стање. На тај начин се кружни процес враћа на почетак.

Систем отвореног циклуса конверзије топлоте океана: �1 површина воде 25°С, 2 вакуум комора, 3 турбина, 4 генератор, 5 електро мрежа, 6 десалинизована вода 23°, 7 кондензатор, 8 дубока вода 5°С, 9 отпадна вода, 10 вакуум пумпа

• Овај систем користи топлоту површине тропских океана и ствара електричну енергију тако што се топла вода допрема у резервоар са ниским притиском (2), у ком вода прокључа, захваљујући ниском притиску и прелази у пару. Добијена пара се шири и покреће турбину (3). Због изложености хладној води, пара се кондензује (7) и враћа се у течно стање.

Додатне примене технологије коришћења конверзије топлоте морске воде

• Климатизација зграда – грејање и хлађење,
• Узгој биљака у суптропским пределима.
• Узгој хладноморских риба у тропским пределима,
• Водоснабдевање домаћинстава и пољопривредних газдинстава,
• Производња водоника и минерала.

​

Технички проблеми

• Због мале температурске разлике, потребно је из дубина доводити већу количину воде, за то се троши велики део енергије.
• На деловима електрана који су у контакту са водом, појављују се наслаге микроорганизама, биљака и алги. Због тога се погоршавају карактеристике топлотног размењивача и до 50%.
• Систем у коме се налазе турбина, испаривач и кондензатор мора бити заптивен, да би се спречио улазак атмосферског ваздуха, јер би у супротном систем престао да ради.

​