Przykład zlewni 1

Przykład zlewni 1
Przykład zlewni 2
Profil zlewni 2
OBLICZENIE KATASTRU ENERGETYCZNEGO CIEKU
Teoria
Równanie Bernoulliego w dwóch przekrojach (przed i za elektrownią) można zapisad w ogólnej
postaci:
v12 p1
v 2 p

 z1  2  2  z2   H str
2 g g
2 g g
Przy przepływach w korytach otwartych, swobodne zwierciadła wody górnej i dolnej znajdują się
pod ciśnieniem atmosferycznym. Dlatego różnicę wysokości energii możemy zapisad:
 v 2 p

H  H1  H 2  z1   2  2  z2   H str 
 2 g g

Przy założeniu:
v12
2g
  H str  0
i mnożąc przez masę płynącej wody, otrzymuje się:
E  m  g  ( z1  z2 )  m  g  H   V  g  H   
Q
gH
t
Z czego wynika zależnośd na moc surową:
P   Q  g  H
skąd ostatecznie można wyznaczyd moc surową (przy przyjęciu gęstości wody  = 1000 kg/m3):
P  9,81 Q  H
[kW]
Kataster cieku jest to wyznaczenie energii strugi cieku, która teoretycznie może byd
wykorzystana w elektrowni wodnej.
Kataster cieku powinno się liczyd osobno dla rzeki i osobno dla jej dopływów a następnie dla
rzeki z uwzględnieniem energii wynikającej z dopływów bocznych.
Do obliczenia mocy na danym odcinku wykorzystano wzór:
P = g·Q·H [kW ]
gdzie:
g – przyśpieszenie ziemskie ( 9,81 [m·s-2]),
Q – przepływ na danym odcinku, w *m3·s-1],
H – spad na danym odcinku, w [m].
Do obliczenia mocy jednostkowej Pj posłużyd się należy formułą:
P j= P / L [kW·km-1 ]
gdzie;
P – moc na danym odcinku, w [kW],
L – długośd danego odcinka, w *km+.
Energia, którą można by uzyskad na omawianym odcinku jest to koniunkcja obliczonej
mocy oraz czasu, wg poniższego wzoru:
A = P ·T [kWh]
gdzie;
P – moc na danym odcinku, w [kW],
T – czas, ilośd godzin w roku czyli 8760.
Należy również wyznaczyd energię jednostkowa na danym odcinku wg wzoru:
Aj = A / L [ kWh·km-1]
gdzie:
A – energia cieku na całym odcinku, w *kWh+,
L – długośd danego odcinka, w *km+.
Kataster energii cieku należy obliczyd dla warunków średnich (SSQ lub SNQ), warunków
minimalnie dogodnych Q90% i warunków maksymalnych Q50%.
OBLICZENIE WSKAŹNIKÓW DO WSTĘPNEJ OCENY PRZYDATNOŚCI INWESTYCYJNEJ ODCINKÓW
RZEK
Pierwszym krokiem do obliczenia wskaźników wstępnej oceny przydatności inwestycyjnej
odcinków rzeki jest wyznaczenie użytecznej technicznie hydrogeneracji rocznej.
Obliczenia użytecznej technicznie hydrogeneracji rocznej
Przy obliczaniu hydrogeneracji rocznej przyjęto następujące założenia:
• na energię potencjalną rzeki składają się: energia potencjalna głównego nurtu oraz energia
potencjalna dopływów wnoszona w kolejnych przekrojach,
• posuwając się w dół rzeki energia kinetyczna jednostkowej masy wody, przy jednakowym
przekroju strugi jednostkowej, zmniejsza się,
• opory hydrauliczne przepływu pochłaniają najpierw energie kinetyczną, a później energię
potencjalną.
Potencjał energetyczny rzeki od punktu startowego do przekroju zamykającego zlewnię jest
liczony jako suma energii:
1. Potencjalnej w punkcie startowym rzeki:
Ep = m·g·h·T [kWh·rok-1]
gdzie:
m – masa wody wypływającej w 1 s w przekroju, w *kg·s-1]
g – przyśpieszenie ziemskie’
h – względna wysokośd piętrzenia na danym odcinku, w *m+,
T – czas (dla energii – rok, dla mocy – sekunda).
2. Wnoszonej przez kolejne dopływy, które niosą masę wody do energetycznego
wykorzystania.
Energię całkowitą Ec można potraktowad, ze względu na jej skalarny charakter, jako sumę
algebraiczną cząstkowych energii pochodzących od kolejnych „porcji” wody dopływających
w kolejnych przekrojach rzeki.
Ec = Ep0(rzeka w przekroju startowym) + Ep1(dopływ nr 1 w przekroju nr 1) + Ep2 (dopływ
nr 2 w przekroju nr 2) + Ep3 (dopływ nr 3 w przekroju nr 3) + Ep4 (dopływ nr 4 w przekroju
nr 4 )+(...).
Tak określona energia całkowita może byd zdezagregowana na następujące składniki:
Ec = Eu + Est + Ek(0)
gdzie :
Eu - energia użyteczna
Est - energia pokonywania oporów przepływu, szacowana z modelu na 0,4 Ec
Ek(0) - energia kinetyczna zrzutu wód rzeki u jej ujścia (składnik kinetyczny energii
użytecznej).
Biorąc pod uwagę sprawnośd przemiany turbina – prądnica (η), która wynosi około 80%
określono potencjał energetyczny rzeki:
Eel = Eu· η
Potencjał ten może byd wykorzystany, jak zakłada uproszczenie, przy przepływie średnim z
wielolecia SSQ. Aby uzyskad uzasadniony zasób energii potencjalnej do wykorzystania, należy
uwzględnid sezonowe wahania wody, powodzie oraz susze, przyjmując bardzie niekorzystne
warunki. Kierując się wskaźnikami meteorologiczno-hydrologicznymi przyjecie potencjału
energetycznego rzeki na poziomie 25% Ec wydaje się byd wartością realną.
Obliczenia wskaźników przydatności inwestycyjnej
W celu obliczenia wskaźników wstępnej oceny przydatności inwestycyjnej niezbędne jest
posłużenie się następującymi parametrami:
średni spadek w korycie rzeki na badanym odcinku Δh/Δl, gdzie: Δh – wysokośd względna
danego odcinka, Δl – długośd obliczanego odcinka.
•
energia użyteczna na danym odcinku rzeki, parametr ten obrazuje energię na całym odcinku,
a jego wielkośd przedstawia ilośd energii jaką można wykorzystad w kolejnych przekrojach;
•
• energia użyteczna przypisana jednemu kilometrowi
obliczanego odcinka cieku;
Przydatnośd parametru średniego spadku koryta przy wyznaczaniu przydatności energetycznej
jest uzasadniona ponieważ:
• wyższy
parametr Δh/Δl na omawianym odcinku wskazuje na większą energię kinetyczną strugi;
• istnieje prawdopodobieostwo
wyższego spiętrzenia na progu wodnym.
Wskaźnik przydatności jednostkowej cieku (W1), rozumiany jako energia przypisana
długości jednego kilometra, o ogólnej postaci funkcji W1 = f(Δh / Δl; Ai /Δl).
Do obliczeo stosuje się wzór:
gdzie:
Δh – wysokośd względna, w [km],
Δl – długośd danego odcinka, w *km+,
Ai – energia użyteczna, w *MWh·rok-1].
Wskaźnik ogólnej energii użytkowej cieku (W2), ma postad funkcji W2 = f(Ai; Δh/Δl). Obliczany
jest ze wzoru:
gdzie:
Δh – wysokośd względna, w *km+,
Δl – długośd danego odcinka, w *km+,
Ai – energia użyteczna, w *MWh·rok-1].
Model analizuje ciek w stanie naturalnym, bez uwzględniania korzyści np. związanych ze
zwiększeniem spadu przez postawienie budowli wodnej.
Wartości wskaźników W1 i W2 wzdłuż koryta analizowanej rzeki wskazują odcinki
interesujące dla poszukiwania udanych lokalizacji hydrogeneracji (MEW). Odcinki, na których
występują wyższe, w stosunku do otoczenia, wskaźniki W1 lub W2 należą do słuszniejszych pod
względem poszukiwania i wyboru możliwych lokalizacji. Wybór tych odcinków jest wyborem
z uwagi na lepsze parametry energetyczne i geometrię spadków.
Wybór ten nie podejmuje oceny pod względem dogodności otoczenia rzeki,
zagospodarowania terenów pobrzeża i przyległych do nich oraz problemów urbanistycznych,
prawnych, własnościowych a także geologicznych. Dalsze analizy wymagają lokalnych ocen,
uzgodnieo i ustaleo, które powinny byd przedmiotem działao zainteresowanych inwestorów.
Bardziej obiecujące dla inwestycji hydrogeneracji są te odcinki rzeki, dla których ww.
wartości są duże - większe od innych odcinków tej rzeki. Należy jednak mied na uwadze, że
rzeczywiste możliwości lokalizacji spiętrzeo są znacznie mniejsze. Mają zatem, dla oceny
możliwości inwestycyjnych, charakter orientacyjny i należy je traktowad jako wartości górnego,
granicznego poziomu mocy i energii elektrycznej, jaką można teoretycznie wygospodarowad
z przepływu rzeki.
1
Q 50% = 1,23 [m3*s-1]
Spad na odcinku [m]
Przepływ obliczeniowy
na odcinku
Długość odcinka [km]
sumowa wraz z
odcinkiem obl
Powierzchnia
zlewni w km2
dla odcinka
obliczeniowego
rz. początku odcinak [m
n.p.m.]
rz. końca odcinka [m n.p.m.]
Lp / opis
km cieku od-do
Nr powierzchni zlewni
przykład : Obliczenia Katastru energii cieku
Zasoby Hydroenergetyczne
Moc na
całym
odcinku
[kW]
Moc
jednostkow
a [kW/km]
Energia na
całym odcinku
[kWh]
Energia
jednostkowa
od źródeł do I
Przykład: Obliczenie Wskaźników Przydatności Inwestycyjnej (WPI)
Lp / opis
1 od źródeł do I
Wysokośd
względna
[km]
Długośd
odcinka
[km]
Q 50% =
1,23
[m3*s-1]
Masa
przepływu
[kg*s-1]
Moc przepływu
miedzy przekrojami
[MW]
Energia
potencjalna rzeki
MWh*rok-1]
Straty energii na
przepływie
[MWH*rok-1]
Użyteczna technicznie
hydrogeneracja roczna
[MWh*rok-1]
Wskaźniki
przydatności
inwestycyjnej
W1
W2