Hidroelektrane su postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pretvara u mehani?ku energiju vrtnje rotora, a zatim u elektri?nu energiju u generatoru. Snaga koju hidroelektrana razvija ovisi o neto padu vode, odnosno razlici razine gornje vode (zahvat) i donje vode (turbina), umanjenom za hidrauli?ke gubitke prilikom protoka vode.

Prema na?inu kori�tenja vode hidroelektrane se dijele na:

• akumulacijske - voda se akumulira kako bi se mogla koristiti kada je potrebnija
• proto?ne - voda se iskori�tava kako dotje?e, nema akumulacije
• reverzibilne ili crpno-akumulacijske

Prema visini pada vodotoka, odnosno visinskoj razlici izme?u zahvata i ispusta vode hidroelektrane se mogu podijeliti na:

• niskotla?ne - pad do 25 m
• srednjetla?ne - pad izme?u 25 i 200 m
• visokotla?ne - pad ve?i od 200 m

Prema udaljenosti strojarnice od brane hidroelektrane se dijele na:

• pribranske - strojarnica smje�tena neposredno uz branu
• derivacijske - strojarnica smje�tena podalje od brane

Osnovni dijelovi hidroelektrana

Osnovni dijelovi hidroelektrana su:

• Brana ili pregrada
• Zahvat vode
• Dovod vode
• Vodostan ili vodena komora
• Tla?ni cjevovod
• Vodene turbine
• Generator
• Strojarnica
• Rasklopno postrojenje
• Odvod vode

Tipi?an izgled HE (izvor: Grupa autora: Program izgradnje malih hidroelektrana, Energetski institut �Hrvoje Po�ar�, 1998.)

Brana ili pregrada je osnovni dio hidrotehni?kog sustava hidroelektrane, a funkcija joj je skretanje vode s prirodnog toka prema zahvatu, pove?anje dubine vode kako bi dobili �to ve?i pad i ostvarivanje akumulacije vode. Brane mogu biti masivne (armirano-betonske) i nasute (zemlja, kamenje).

Zahvat vode je struktura koja usmjerava vodu prema dovodu, odnosno prema turbini. Postoje izvedbe zahvata ispod i iznad razine vode. Zada?a zahvata je da potrebnu koli?inu vode usmjeri prema dovodu vode ili direktno prema tla?nom cjevovodu, a da pritom bitno ne ugrozi okoli�, te da ne zahtijeva posebna odr�avanja. Prema dana�njim ekolo�kim standardima zahvati imaju sustave za odvra?anje riba od zahvata i prolaze za ribe.

Dovod vode je dio sustava koji spaja zahvat sa vodenom komorom. Mo�e biti izveden kao otvoreni - kanal ili zatvoreni - tunel. Otvoreni dovod (kanal) mo�e biti izveden u obliku trapezoida, pravokutnika, trokuta ili polukru�no. Protok kroz kanal ovisi o vrsti materijala od kojega je izra?en (zemlja, ?elik, drvo ili beton), o ?isto?i kanala i o obliku kanala. Zatvoreni dovod (tunel) mo�e biti izveden kao gravitacijski ili tla?ni. Kod gravitacijskih tunela voda ne ispunjava cijeli tunel, pa se protok regulira na zahvatu, dok kod tla?nih tunela voda ispunjava cijeli popre?ni presjek, pa se ne treba utjecati na zahvat za promjenu protoka.

Vodena komora nalazi se na kraju odvoda, a slu�i za regulaciju prilikom promjene optere?enja. Kada je dovod izveden kao gravitacijski tunel vodena komora mora imati odgovaraju?i volumen kako bi se u njoj mogle pohraniti ve?e koli?ine vode, a kada je tunel tla?ni dimenzije komore moraju biti takve da tlak u dovodu ne poraste preko dopu�tene granice.

Tla?ni cjevovod dovodi vodu do turbina iz vodene komore ili direktno sa zahvata vode, a karakteriziran je materijalom, promjerom, debljinom stijenki i tipom spajanja pojedinih dijelova. Promjer se odabire tako da se gubitci zbog trenja smanje na prihvatljivu mjeru dok se debljina stijenki odabire tako da je cjevovod otporan na hidrauli?ke tlakove. Danas postoji �irok izbor materijala za izradu cjevovoda, ovisno o padu. Za velike padove koristi se zavareni ?elik i kovano �eljezo, dok su za male i srednje padove ?elik i �eljezo manje po�eljni jer se unutra�nji i vanjski sloj za�tite ne smanjuje sa smanjenjem debljine stijenki uslijed manjeg tlaka. Zato se na manjim i srednjim padovima koriste jo� i polietilenski, pvc, betonski i azbestno-betonski cjevovodi. Na ulazu u tla?ni cjevovod nalazi se zaporni ure?aj kojim se mo�e sprije?iti daljnje protjecanje vode u slu?aju pucanja cijevi. Ispred glavnog zapornog ure?aja redovito se postavlja i pomo?ni, koji omogu?ava bilo kakve radove na glavnom bez potrebe za pra�njenjem sustava.

Vodene turbine pretvaraju kineti?ku energiju strujanja vode u mehani?ku energiju vrtnje rotora turbine, odnosno generatora. Turbine se ovisno o na?inu prijenosa energije vodotoka dijele na impulsne (akcijske) i reakcijske. U impulsnim turbinama tlak na ulazu u rotor vode jednak je tlaku vode na izlazu, jer se sva potencijalna energija vode pretvara u kineti?ku energiju u statoru turbine. Glavni predstavnik impulsnih turbina je Peltonova turbina kod koje voda sa velike visine od 400 do 600 m slobodno pada i uz pomo? sapnica se usmjerava na lopatice rotora. Koristi se za male protoke.

�

Podru?je primjene turbina (izvor: Grupa autora: Program izgradnje malih hidroelektrana, Energetski institut �Hrvoje Po�ar�, 1998.)

Osim Peltonove, koriste se jo� i Turgova turbina (ve?a specifi?na brzina od Peltonove) i turbina sa popre?nim tokom vode. U reakcijskim turbinama tlak vode na ulazu u rotor je ve?i nego na izlazu. Dio potencijalne energije se transformira u kineti?ku u statoru, a dio u rotoru. Zakretanje radnog kola uzrokuje promjenu koli?ine gibanja i reaktivne sile. Reaktivne turbine se dijele s obzirom na smjer toka vode na radijalne, aksijalne i dijagonalne. Osnovni dijelovi reakcijskih turbina su spiralni dovod, statorske lopatice, difuzor (odsisna cijev) i le�ajevi, dok se me?usobno na?elno razlikuju po konstrukciji radnog kola. Najpoznatije reakcijske turbine su Francisova, propelerska, Kaplanova, cijevna i Deriazova turbina.

Osovina Francisove turbine mo�e biti vertikalno ili horizontalno polo�ena, koristi se za srednje padove (40 � 700 m), a voda dolazi radijalno na turbinu dok se protok regulira sa lopaticama privodnog kola.

Propeleska turbina se koristi za velike protoke i male padove, voda se dovodi aksijalno na lopatice rotora, a lopatice radnog kola mogu biti radne i fiksne.

Kaplanova turbina je propelerska sa zakretnim lopaticama rotora, pa se naziva i dvostruko regulirana turbina.

Cijevna turbina je propelerna s vodoravnom ili blago uko�enom osovinom, nema spiralni kanal, a koristi se za male padove i velike protoke.

Kroz Deriazovu turbinu voda se dovodi dijagonalno, a kao i Kaplanova, ima svojstvo dvostruke regulacije.

Kriteriji za izbor turbine su neto pad, protok kroz turbinu, brzina rotacije, problemi s kavitacijom i cijena. Neto pad je prvi kriterij kod izbora turbine; za male padove koriste se Kaplanova, propelerna i cijevna turbina, za srednje padove Francisova, dok se za najve?e padove koristi Peltonova turbina.

�

Presjek nekih vrsta turbina (izvor: Matkovi?, M.: Small hydro-power plants, Elektroprojekt, 1993.)

Generator je ure?aj koji mehani?ku energiju vrtnje rotora pretvara u elektri?nu energiju. S obzirom na brzinu okretnog magnetnog polja u odnosu na brzinu rotora generatori se dijele na sinkrone i asinkrone. Sinkroni generator ima istosmjerni sustav uzbude, te mo�e raditi izoliran od mre�e, dok asinkroni generator uzima jalovu energiju iz mre�e, te ne mo�e raditi ako nije povezan na mre�u. Sinkroni generatori su skuplji od asinkronih, ali se asinkroni mogu koristiti samo na mjestima gdje je njihov doprinos u ukupnoj snazi sustava zanemariv.

Rasklopno postrojenje predstavlja vezu izme?u hidroelektrane i elektroenergetskog sustava, a izvodi se u neposrednoj blizini strojarnice. Njegova osnovna zada?a je transformacija proizvedene elektri?ne energije u skladu s parametrima sustava i isporuka te energije u elektroenergetski sustav.

Odvod vode slu�i za vra?anje vode iskori�tene u turbini natrag u vodotok, a mo�e biti izveden kao kanal ili kao tunel.