Jak wiemy, aby wytworzyć energię hydrauliczną, musimy przelać dużą ilość wody przez wodospad, aby poruszać turbiną. Jedną z najczęściej używanych turbin w energetyce hydraulicznej jest Turbina Kaplana. Jest to hydrauliczna turbina odrzutowa, która jest używana przy małych nachyleniach do kilkudziesięciu metrów. Przepływ jest zawsze potrzebny jest duży, aby można było wytworzyć dużą ilość energii.
W tym artykule pokażemy, z czego składa się turbina Kaplana, jakie są jej właściwości i jak jest wykorzystywana do generowania energii hydraulicznej.
Co to jest turbina Kaplana
Jest to hydrauliczna turbina odrzutowa, która wykorzystuje niewielkie spadki wysokości od kilku metrów do kilkudziesięciu. Jedną z głównych cech jest to, że zawsze działa przy dużych prędkościach przepływu. Przepływy w zakresie od 200 do 300 metrów sześciennych na sekundę. Jest szeroko stosowany do wytwarzania energii hydraulicznej, będącej rodzajem energii odnawialnej.
Turbina Kaplana została wynaleziona w 1913 roku przez austriackiego profesora Viktora Kaplana. Jest to rodzaj turbiny hydraulicznej w kształcie śmigła, w której mają łopatki, które można ustawić w zależności od różnych przepływów wody. Wiemy, że przepływ wody zmienia się w zależności od intensywności objętości. Mając łopatki, które są zorientowane na przepływ wody, możemy zwiększyć wydajność, utrzymując ją na wysokim poziomie, aż do natężenia przepływu wynoszącego 20-30% przepływu nominalnego.
Najbardziej normalną rzeczą jest to, że ta turbina jest wyposażona ze stałymi deflektorami stojana, które pomagają kierować przepływem wody. W ten sposób optymalizowane jest wytwarzanie energii elektrycznej. Sprawność turbiny Kaplana można wykorzystać dla szerszego zakresu przepływu w zależności od potrzeb. W idealnym przypadku turbina powinna być przygotowana przy użyciu systemu orientacji, w którym umieszczamy deflektory stojana, gdy zmienia się przepływ. Nie zawsze mamy taki sam przepływ wody, ponieważ jesteśmy uzależnieni od opadów deszczu i poziomu zbiorników.
Gdy płyn dociera do turbiny Kaplana, dzięki spiralnemu przewodowi służy do całkowitego zasilania całego obwodu. Gdy płyn dotrze do turbiny, przepływa przez dystrybutor, który nadaje mu rotacyjny obrót. W tym miejscu wirnik jest odpowiedzialny za przekierowanie przepływu o 90 stopni, aby odwrócić go osiowo.
Główne cechy
Mając turbinę śmigłową wiemy, że regulacja jest praktycznie zerowa. Oznacza to, że turbina może pracować tylko w określonym zakresie, więc dystrybutor nie jest nawet regulowany. Dzięki turbinie Kaplana uzyskujemy orientację łopatek wirnika dostosowaną do przepływu wody. Ponadto ruch dostosowuje się do przepływu prądu. Dzieje się tak, ponieważ każde ustawienie dystrybutora odpowiada innej orientacji łopatek. Dzięki temu możliwa jest praca z wyższe wydajności do 90% w szerokim zakresie natężeń przepływu.
Zakres zastosowania tych turbin osiąga maksymalne spadki do około 80 metrów wysokości i przepływa do prędkości przepływu 50 metrów sześciennych na sekundę. To częściowo pokrywa się z obszarem zastosowania Francis turbina. Te turbiny spadły tylko z 10 metrów, a przepływ przekroczył 300 metrów sześciennych.
Aby zoptymalizować wytwarzanie energii hydraulicznej, bardzo często spotyka się turbiny Kaplana. Są to turbiny śmigłowe, które pracują z pełną wydajnością i dobrze reagują na nadmiar płynu. Dzięki tym turbinom eliminują duże koszty instalacji, ponieważ ta turbina jest droższa niż turbina śmigłowa, ale instalacja staje się znacznie bardziej wydajna w dłuższej perspektywie.
Jak działają turbiny w energetyce wodnej
Jeśli chcemy utrzymać stałe napięcie wyjściowe w instalacji hydroelektrycznej, prędkość turbiny musi być zawsze utrzymywana na stałym poziomie. Wiemy, że ciśnienie wody zmienia się w zależności od natężenia przepływu i intensywności, z jaką spada. Jednak prędkość turbiny musi być utrzymywana na stałym poziomie niezależnie od tych zmian ciśnienia. Aby zachować stabilność, wymagana jest duża liczba kontroli zarówno w turbinie Francisa, jak i turbinie Kaplana.
Często wykonywane są instalacje z kołami Peltona, w których przepływ wody jest wspomagany przez otwieranie i zamykanie dysz eżektora. Kiedy w obiekcie znajduje się turbina Kaplana, stosuje się dyszę obejściową wypływu, która pomaga odchylić gwałtowne zmiany prądu w kanałach zrzutowych, które mogą nagle zwiększyć ciśnienie wody. W ten sposób zapewniamy, że śmigła są zawsze przechowywane w sposób ciągły i nie mają na nie wpływu zmiany ciśnienia wody. Te wzrosty ciśnienia wody są znane jako uderzenia wodne. Mogą być bardzo szkodliwe dla obiektów.
Jednak przy wszystkich tych ustawieniach utrzymywany jest stały przepływ wody przez dysze, dzięki czemu ruch łopatek turbiny jest stabilny. Aby uniknąć uderzeń wodnych, dysze wylotowe są powoli zamykane. Turbiny używane do wytwarzania energii hydraulicznej różnią się w zależności od niektórych typów:
- Dla duże skoki i małe prędkości przepływu Stosowane są turbiny Peltona.
- Dla nich mniejsze głowy, ale z większym przepływem Stosowane są turbiny Francisa.
- En bardzo małe wodospady, ale z bardzo dużym przepływem Stosowane są turbiny Kaplana i śmigłowe.
Elektrownie wodne są zależne od dużej ilości wody zawartej w zbiornikach. Przepływ ten musi być kontrolowany i utrzymywany na prawie stałym poziomie, aby woda mogła być transportowana kanałami lub zastawkami. Przepływ jest kontrolowany przez zawory w celu dostosowania przepływu wody przepływającej przez turbinę. Ilość wody, jaka może przepłynąć przez turbinę, zależy od zapotrzebowania na energię elektryczną w każdym momencie. Reszta wody wypływa kanałami odprowadzającymi.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom dowiesz się więcej o turbinie Kaplana i wytwarzaniu energii wodnej.