Turbina wodna to nic innego jak pewien rodzaj silnika wodnego z wirnikiem łopatkowym, który zmienia energię kinetyczną lub potencjalną wody na energię ruchu obrotowego. Wir wodny, który powstaje w wyniku przepływu wody wytwarza moment obrotowy, który jest wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej poprzez prądnice w elektrowni wodnej.
Turbina wodna to w zasadzie dosyć prosty system wytwarzania energii elektrycznej, które opiera się wykorzystaniu energii ciśnienia oraz energii prędkości. Zależnie od sposobu doprowadzenia wody do wirnika turbiny wodne dzielimy na:
W turbinach akcyjnych woda zostaje doprowadzona do wirnika pod ciśnieniem atmosferycznym. Ten typ turbiny wykorzystuje energię kinetyczną i jest stosowana przy bardzo dużych spadkach wody gdzie spadek wody jest bardzo wysoki co przekłada się na bardzo dużą prędkość strumienia.
Turbina Peltona - jest przykładem turbiny akcyjnej gdzie sama idea działania tego systemu była zaczerpnięta z koła wodnego. Turbina Peltona występuje z wałem pionowym i poziomym w zależności od ilości zastosowanych strumieni (dysz). Turbiny z wałem poziomym posiadają nie więcej niż dwie, trzy dysze, natomiast turbiny z wałem pionowym maksymalnie do sześciu. Podział ten jest istotny ponieważ montaż w turbinie Peltona z wałem poziomym więcej niż trzech dysz spowoduje znaczne straty mocy na skutek zderzania się strumieni wody.
Turbina Peltona o wale poziomym z dwiema dyszami
Turbina Peltona o wale pionowym z wieloma dyszami
Turbiny reakcyjne są bardziej skomplikowane w działaniu niż turbiny akcyjne. Wynika to z faktu, iż woda jest dostarczana do wirnika pod wyższym ciśnieniem niż atmosferyczne i maleje przepływając między łopatkami. Wykorzystana jest tutaj zarówno energia ciśnienia wody jak i energia kinetyczna, która jest zamieniana na energię mechaniczną. Podział turbin reakcyjnych jest uzależniony od sposobu przepływu wody przez wirnik, ilości wirników oraz ich szybkobieżności.
Podział turbin reakcyjnych z uwzględnieniem ilości wirników:
Podział turbin reakcyjnych z uwzględnieniem sposobu przepływu wody przez wirnik:
Podział turbin reakcyjnych z uwzględnieniem parametru szybkobieżności:
Turbina Kaplana (śmigłowe) - swoim wyglądem przypomina śrubę napędową wykorzystywaną na okrętach. Niewątpliwą zaletą tej turbiny jest duża sprawność (90%) oraz duża szybkobieżność. Wirnik wyposażony jest w zależności od konstrukcji od 3 do 8 łopatek. Moc turbiny jest regulowana przez zmianę ustawień kątów łopatek kierownicy oraz łopatek wirnika. Turbiny Kaplana stosuje się dla spadów niskich do 80 metrów. Mogą występować, zarówno o pionowym jak i poziomym wale.
Turbina Kaplana o pionowym wale
Turbina Kaplana o poziomym wale
Turbina Francisa - ma swoje zastosowanie najczęściej przy średnich spadkach wody w zależności od jej szybkobieżności (maksymalnie do 500 metrów). Zaletą turbiny Francisa jest jej uniwersalność co pozwala na produkcję i montaż dla różnych rozwiązań konstrukcyjnych elektrowni wodnej. Występują również jak w przypadku turbin wymienionych powyżej w orientacji pionowej lub poziomej. Dodatkowo mogą być w komorze otwartej bądź zamkniętej oraz spiralne, bliźniacze i wielowirnikowe. Najczęściej spotykane są o pionowym wale szczególnie w małych elektrowniach wodnych (MEW). Sprawność Turbiny Francisa przekracza 90 procent stosunku mocy pobranej do zużytej. Koszt budowy i montażu turbiny Francisa jest stosunkowo wysoki lecz zachowana sprawność urządzenia pozwala na bardzo długi okres eksploatacji. Budowa tej turbiny jest zbliżona do turbiny Kaplana przy czym w turbinie Francisa wirnik ma inny kształt i budowę a łopatki wirnika są nieruchome. Regulacja następuje tylko przez ustawienie łopatek kierowniczych.
Turbina Francisa o pionowej orientacji
Turbina Francisa o poziomej orientacji
Turbina Deriaza - jest to turbina bardzo podobna do turbiny Francisa i różnią się możliwością przestawiania łopatek wirnika. Stosuje się je na spady wody od 13 do 300 metrów przy czym powyżej 36 metrów stosowanie tego rodzaju turbin jest bardziej korzystne niż turbin Kaplana ze względów ekonomicznych. Budowa tej pompy ma dodatkową zaletę. Odwrócona turbina Deriaza może pracować jako pompa i z tego względu często wykorzystywana jest w elektrowniach wodnych szczytowo - pompowych.
Turbina Deriaza w orientacji pionowej
Łopatki wirnika turbiny Deriaza
Turbina pływowa (podwodna) - przypomina kształtem i budową wiatrak i wykorzystuje do produkcji energii zjawisko pływowe. Zjawisko to jest niczym innym jak cyklicznym odpływem i przypływem mórz i oceanów. Wykorzystywane w ten sposób oscylacyjne prądy poruszają łopatki podwodnego wiatraka wytwarzając energię elektryczną. Turbiny podwodne to idealne rozwiązanie ze względu na to iż są montowane na dnie morskim blisko nabrzeża, nie trzeba przy nich dokonywać specjalnych modernizacji przybrzeża, opierają się na przewidywalnych siłach natury bez względu na pogodę, potrafią dostosować się do kierunku pływu morskiego i nie zagrażają podwodnemu ekosystemowi dzięki zamontowanym specjalnym ekranom ochronnym. Wyprodukowana energia elektryczna jest przesyłana do transformatora.. Wydajność turbiny pływowej jest prawe dwa razy większa od siłowni wiatrowej dzięki swojej gęstszej postaci.
Zasada działania turbin pływowych (podwodnych)
SeaGen w Strangford Lough w Północnej Irlandii - pierwsza na świecie i największa zarazem turbina wykorzystująca technologię pływów morskich. Produkuję 1.2 MW pracując 18 do 20 godzin na dobę. Fot. www.seageneration.co.uk
