Które rzeki są odpowiednie do instalacji turbin wodnych? Jak wybrać?

Jeśli w pobliżu domu znajduje się stały, płynący strumień lub rzeka, może ona stanowić potencjalną elektrownię domową. W porównaniu do energii słonecznej i wiatrowej największą zaletą energii wodnej jest jej stabilność: o ile istnieje przepływ wody, można wytwarzać prąd przez cały dzień, niezależnie od długości dnia czy warunków pogodowych. Jednorazowa inwestycja przynosi zyski przez wiele lat.

Nie każda rzeka nadaje się jednak do instalacji turbin wodnych. Decyzja, czy turbina wodna może zostać zainstalowana, jaki ma mieć rozmiar oraz który typ wybrać, zależy ostatecznie od dwóch podstawowych parametrów.

Dwa czynniki decydujące o mocy wytwórczej

Niezależnie od marki czy modelu moc wytwórcza turbiny wodnej zależy zasadniczo tylko od dwóch parametrów:

Spad hydrauliczny: pionowy spadek od punktu poboru wody do miejsca instalacji turbiny wodnej, mierzony w metrach (m). Im większy spadek, tym wyższe ciśnienie wody.

Przepływ: objętość wody przepływającej w jednostce czasu, mierzona w metrach sześciennych na sekundę (m³/s) lub litrach na sekundę (L/s). 1 metr sześcienny na sekundę = 1000 L/s.

Moc wyjściową można oszacować za pomocą następującego uproszczonego wzoru:

Moc (kW) ≈ 9,8 * wysokość spadu wody (m) * przepływ (m³/s) * sprawność

Sprawność zwykle przyjmuje się w zakresie 0,6–0,7, uwzględniając straty wodna turbina samego urządzenia oraz straty spowodowane tarciem w rurach doprowadzających wodę.

Na przykład: przy wysokości spadu wody 20 m i przepływie 0,05 metra sześciennego na sekundę (50 L/s) oszacowana moc wyjściowa wynosi około 9,8 × 20 × 0,05 × 0,65 ≈ 6,4 kW, co wystarcza do zaspokojenia zapotrzebowania energetycznego oświetlenia domowego, lodówek, telewizorów oraz pomp wody.

Jak wynika ze wzoru, jeśli wysokość spadu wody lub przepływ będą zbyt małe, moc wyjściowa gwałtownie spadnie. Dlatego nawet w przypadku pozornie szybkiego przepływu wody obliczenia mogą dać wynik zaledwie kilkuset watów.

Trzy praktyczne przypadki

Dzisiaj chcielibyśmy podzielić się z Państwem niektórymi rzeczywistymi rozwiązaniami zastosowanymi u naszych najnowszych klientów, które mogą posłużyć za punkt odniesienia przy wyborze turbiny wodnej.

1. Obfity przepływ wody, ale wąski przewód

Klient skontaktował się z nami w sprawie turbiny wodnej o mocy 5 kW. Poinformował nas, że wysokość spadu wody wynosi 30 m. Aby zaproponować mu odpowiednie rozwiązanie, potrzebujemy jednak rzeczywistych danych, takich jak przepływ. W dalszej rozmowie dowiedzieliśmy się, że klient już ułożył przewód wodny – użył rury DN50 o średnicy wewnętrznej 50 mm, ale zmierzony przepływ wynosił jedynie 3 L/s.

Zastosowaliśmy wzór obliczeniowy: 9,8 × 30 × 0,003 × 0,65 i obliczyliśmy, że moc wynosi około 500 W, czyli tylko jedną dziesiątą mocy 5 kW, której potrzebował.

Ograniczającym czynnikiem nie jest wysokość spadu wody, lecz średnica rury. Im węższa rura, tym szybsza prędkość przepływu wody i tym większe straty ciśnienia na długości rury wskutek tarcia, co skutkuje niższym ciśnieniem przy dotarciu wody do turbiny wodnej. Ten punkt łatwo pominąć, ponieważ imponujące dane dotyczące wysokości spadu wody stwarzają wrażenie, że moc wyjściowa jest gwarantowana.

Zaproponowaliśmy mu dwie opcje do wyboru: Pierwsza opcja polegała na zainstalowaniu rurociągu naporowego o większej średnicy oraz ponownej ocenie punktu poboru wody w celu zwiększenia przepływu, co zapewniłoby wymaganą moc wyjściową dla klienta. Ta opcja jednak wymagałaby demontażu rurociągów już zainstalowanych przez klienta, a prace budowlane byłyby dość uciążliwe. Druga opcja polegała na wybraniu mikroturbiny wodnej o mocy od 500 W do 1 kW, dostosowanej do istniejących warunków terenowych oraz już zainstalowanych rurociągów.

2. Średnia wysokość spadu wody – rodzaj turbiny wodnej decyduje o końcowym wyniku

Inny klient zapytał o zastosowanie turbiny wodnej do zasilania mieszkań i stawów rybnych. Docelowa moc wynosiła 10–15 kW, prąd trójfazowy, 50 Hz, a wysokość spadu wody na miejscu wynosiła 15 m.

Klient początkowo zapytał o jednostkę turbiny wodnej nachylonej. Jednak po przeanalizowaniu warunków instalacji klienta wykryliśmy problem: przy wysokości spadu wody 15 m maksymalna moc jednostki turbiny nachylonej wynosiła 5 kW, a do osiągnięcia mocy 10 kW wymagana była minimalna wysokość spadu wody 30 m. Warunki miejsca instalacji klienta nie spełniały tego wymogu, więc należało wybrać inny typ turbiny wodnej.

The turbina wodna średnioosiowa okazała się bardzo odpowiednia dla rzeczywistych potrzeb klienta. Model 10 kW był stosowany przy wysokości spadu wody od 10 do 25 m, a zalecany średnica rury ssącej wynosiła 200 mm, co prawie idealnie odpowiadało jego warunkom lokalnym.

Dlatego dobór turbiny wodnej nie może opierać się wyłącznie na mocy znamionowej; należy najpierw sprawdzić zakres spadku hydraulicznego odpowiadający tej mocy znamionowej.

3. Spadek hydrauliczny jest bliski zeru

Trzeci klient opisał małą rzekę przepływającą przez jego nieruchomość. Woda płynęła powoli i z bardzo niewielkim spadkiem. Zapytał, czy można zainstalować turbinę wodną. Najpierw należy wyjaśnić prawdziwe znaczenie wyrażenia „zerowy spadek hydrauliczny”: czy rzeczywiście nie ma żadnego spadku hydraulicznego, czy też istnieje kilka centymetrów różnicy wysokości, która po prostu nie jest zauważalna? Przy chodzeniu wzdłuż rzeki od jej źródła do ujścia zwykle zauważa się pewne różnice wysokości.

Jeśli wyniki pomiarów wskazują, że spadek jest mniejszy niż 0,5 m, a przepływ wynosi mniej niż 0,5 m/s, zazwyczaj nie zalecamy instalacji turbiny wodnej, ponieważ montaż turbiny niezdolnej do osiągnięcia oczekiwanej wydajności nie jest opłacalny dla żadnej ze stron. W takim przypadku istnieją dwa możliwe rozwiązania: można zbudować małą zaporę przegrodową, aby sztucznie stworzyć niewielki spadek i uzyskać odpowiednie warunki ciśnienia wody; drugą opcją jest przeanalizowanie lokalnych warunków nasłonecznienia i rozważenie przejścia na system fotowoltaiczny.

Pierwszym krokiem w ocenie przydatności rzeki do wytwarzania energii elektrycznej jest zawsze pomiar wysokości spadu wody (ciśnienia) oraz przepływu. Jeśli chcesz również wykorzystać pobliskie potoki lub rzeki w planowaniu elektrowni wodnej, skontaktuj się z nami — przygotujemy dla Ciebie indywidualne rozwiązanie.