cyanic-selkie/wikianc huggingface dataset:
Vannkraftverk
Svingekammer
Når svingekammeret fylles opp, bygges også høyden og trykket opp, det oppstår et mottrykk og vannet i tilløpstunnelen snur retning og fosser tilbake mot inntaksdammen. Dermed kan vannspeilet i svingekammeret komme under vannspeilet i inntaksdammen, og etter en tid vil vannet strømme tilbake og fylle opp svingekammeret på nytt. Et motsatt tilfelle kan være at turbinene i kraftverket startes opp etter en stans og vannet i trykksjakten settes raskt i bevegelse. Vannet i tilløpstunnelen kommer ikke like raskt opp i bevegelse og dermed vil vannet i svingekammeret tappes ned, og dette fører igjen til at vannet i tilløpstunnelen i neste omgang strømmer med stor fart for å fylle opp svingkammeret.
I begge tilfellene beskrevet over oppstår det en svingning der vannet farer frem og tilbake en stund. Friksjonen demper ut svingningene og likevekt oppstår etter en tid. Imidlertid kan det skje at disse endringene får turbinregulatorene, som regulerer pådraget til turbinen, til å regulere pådraget i samme fase og frekvens, dermed vil svingningene heller forsterkes enn dempes ut. Mer om dette i avsnittet lenger ned om turbinregulatorene.
En løsning for å dempe ut svingningene er å utforme svingekammeret med store horisontale rom, slik som vist i den nederste skissen i figuren til venstre. Her er det vist et kammer like over normal vannstand og ett like under normal vannstand. Disse kan utformes til å ta opp store vannmengder uten at vannhøyden får store variasjoner. Det øvre kammeret vil fylles opp ved reduksjon av pådraget i turbinen, mens det lavere vil tømmes ned når pådraget økes. Slik kan store trykkdifferanser som forstyrrer turbinregulatoren unngås.
I moderne kraftverk er det som nevnt gjerne ikke tilløpstunnel, men en lang trykksjakt. Også her kan det bli trykkstigninger som må dempes og i 1970-årene ble det utviklet et nytt konsept med et luftputekammer nært kraftstasjonen. Her er det altså ikke noe vannsøyle med fri overflate, men et kammer med trykkluft. Dette kammeret må sprenges ut i fjell som er kompakt og tett. Tilleggstetting i form av sementinjeksjon eller andre metoder kan bli nødvendig. Trykket holdes ved like ved hjelp av en kompressor. Det første kraftverket i verden der dette ble gjort var Driva kraftverk i Møre og Romsdal i 1973. Dette høytrykks luftputekammeret var forutsetningen for å kunne bygge en lang skråstilt trykksjakt uten noen tilløptunnel. En stor fordel med dette var at tunnelen kunne drives nede fra kraftstasjonen og oppover i fjellet. Dermed kunne en bygge store kraftverk og unngå anleggsveger og massedeponier lenger opp i fjellet.
Det er gjort mye forskning angående luftputekammeret og dempning av svingningene. Svingningene som oppstår vil nemlig påvirke og gi samvirkning med turbin, generator og regulatorer, noe som kan være opphav til elektriske oscillasjoner i kraftnettet.
Et spesielt forhold med luftputekammeret er den enorme energimengden som er lagret i den komprimerte luften. I Kvilldal kraftverk har luftputekammeret et volum på 125 000 m3 og representerer en sprengkraft på hele 200 tonn TNT. Dette representerer en såpass stor risiko at det er ikke mindre enn tre uavhengige sikringssystemer for å unngå ulykker.
I kraftverkene utover på1900-tallet var det vanlig med én tilløpstunnel og flere turbinrør ned til kraftstasjonen. En viktig tilleggsfunksjon for svingekammeret var da å fordele vannet og gi det jevn hastighet rett inn mot starten av rørene. Dermed ble dette gitt navnet fordelingskammer. Andre navn har vært avdrags- og pådragskammer og utjevningsbasseng. I noen tilfeller hadde en ikke mulighet til å ha svingekammeret i fjell, og da ble det laget en høy tank eller tårn som vannet kunne stige opp og ned i. Dette kan en se i Røyrvikfoss kraftverk i Nord-Trøndelag fra 1965. Hensfoss kraftverk har en stor tank som også fordeler vannet til to rør.
Bekkeinntak og takrennetunnel
For å få størst mulig nedbørfelt og stort vanntilsig til kraftverket eller et system av flere kraftverk, blir såkalte «takrenne-tunneler» bygget. Dette er lange tunneler som henter vann fra bekker, elver, isbreer eller innsjøer i eget eller tilhørende nabovassdrag. Enten fører takrenne-tunnelene vannet direkte til inntaksdammen eller til reguleringsdammer som har tilknytning til denne. Andre ganger kan det være snakk om å overføre vann fra andre siden av et fjell og la det renne i en naturlig elv ned til inntaksdammen.
Kartet til venstre viser takrenne-tunneler i forbindelse med Svartisen kraftverk. Som en ser er det flere lange tunneler og samlet lengde er flere mil. Det vestlige tunnelsystemet henter vann fra hele 40 bekker og det spesielle her er at vannet ikke føres til inntaksdammen, men direkte inn i tilløpstunnelen. Det østlige tunnelsystemet ble drevet av fire fullprofil tunnelboremaskiner.
Bekkeinntak er som navnet sier et inntak for bekker og elver ned til en takrenne-tunnel. Noen ganger kan det være så enkelt som et hull rett ned i fjellet i bunnen av en bekk. Mer vanlig er det at det bygges en demning og vannet ledes over en nesten horisontal rist av stålstaver. Dette for at kvister og andre større gjenstander skal fanges opp og rulle nedover risten, mens vannet renner rett ned og inn i tunnelen.
Ofte er det en avleiringsgrop innebygget i bekkeinntaket der sand og grus legger seg på bunnen. Denne kan så spyles ut med jevne mellomrom, slik at en unngår at tunnelen fylles med sand. Utformingen må også tilpasses for å unngå luftbobler i vannet. Dette gir nemlig problemer med utblåsning andre steder i systemet.
Installasjoner i kraftverket
I overgangen til kraftstasjon i fjell vil trykksjakten ha overgang til stålrør som leder til en eller flere turbiner. Ofte er det svært store trykk som virker, og derfor er både rør og turbin er støpt inn i betong. I kraftstasjonen er det en eller flere aggregater, som er en samlebetegnelse på enheten turbin og generator. I store vannkraftverk er det gjerne flere etasjer i selve kraftstasjonen, og i det følgende gis en beskrivelse av komponentene.
Bukserør
Som nevnt var det tidligere vanlig med ett eller flere trykkrør fra inntaksdam til kraftstasjon, gjerne var det ett rør per turbin. I dag er det vanlig at kun ett rør eller trykksjakt leder vannet ned til kraftstasjonen, og om det er to eller flere turbiner må røret deles opp. Denne rørdelen kalles bukserør (Y-bend) på grunn av dets karakteristiske form som minner om en bukse, men mer enn to ben er også mulig. Fordi bukserøret ligger helt i enden av turbinrøret er trykket stort, dessuten skal vannet gjøre retningsforandringer. De største trykkreftene virker i skrittet av bukserøret og derfor sveises det inn en forsterkningsribbe på innsiden. I tilfelle dette ikke er godt nok, kan dette suppleres med en utvendig ribbe. I tillegg er hele bukserøret støpt inn i betong.
Stengeventilen
Røret eller rørene snevres inn i kraftstasjonen og vannhastigheten økes dermed. Et stykke før turbinen er det en stor ventil som kan stenge av vannet selv om det er fullt trykk i røret. Dette er gjerne en kuleventil, men siden røret snevres inn behøver ikke denne å ha diameter som selve tilløpsrøret eller trykksjakten. En kuleventil består av en gjennomboret kule som står i et ventilhus og kan dreies om en aksling vinkelrett på strømningsretningen. Kulen vris 90 fra lukket til åpen stilling. Denne har et sylindrisk gjennomløp som flukter med innløps og utløpstilslutningene, dermed blir de singulære falltapene små.
Ventilen skal kunne stenge for fullt pådrag i turbinen og en aktuator sørger for tilstrekkelig kraft for å rotere kulen mot strømmen. I Norge skjer denne ventilstyringen med såkalt vannstyring, altså hydraulikk basert på vann, der vann fra trykksjakten brukes. Dette har den fordelen at om alle styreorganer i kraftverket skulle svikte (strømbrudd eller feil på oljehydraulikk) vil uansett trykket og styremediet være tilstede. Selve servomotoren (aktuatoren) er et stempel formet som en torus (ringformet) i en sylinder festet på utsiden av selve ventilhuset.
Kuleventiler brukes typisk for trykk mellom 1,6 til 12,5 MPa (160 til 1250 meter vannsøyle). Sluseventiler var mye brukt før, men settes ikke lenger inn på moderne kraftstasjoner.
Vannet føres videre fra kuleventilene frem til turbinene, og diameteren for tilførselsrørene vil ofte trappes ytterligere ned.
Turbinen
I en impulsturbin endres strømningsretningen til vannet av skovlene som treffes av én eller flere vannstråler med meget høy hastighet. Resulterende impuls får løpehjulet til å rotere og vannet forlater turbinen med sterkt redusert kinetisk energi, allikevel skjer det ingen trykkendring i vannet gjennom turbinen. Newtons andre lov beskriver overføring av energi som skjer. Den vanligste impulsturbinen i dag er peltonturbinen.
I en reaksjonsturbin skjer energiomformingen både ved omforming av kinetisk- og potensiell energi (trykk). De roterende delene i en reaksjonsturbin må være innkapslet i et hus for å motstå vanntrykk og ofte suget på utløpssiden. Disse er utformet vesentlig annerledes enn en impulsturbin der løpehjulet roterer i friluft. Newtons tredje lov beskriver energioverføringen i en reaksjonsturbin. De mest vanlige reaksjonsturbiner i dag er francis- og kaplanturbinen.
Sammenlignes en vannturbin med et tradisjonelt vannhjul, er det noen konstruksjonsmessige forhold som gjør at en turbin er en mye mer effektiv maskin. Hovedforskjellen mellom tidlig vannhjul og kvernkaller, er at en virvelkomponent (i matematikken brukes det engelske ordet «curl», som også brukes på norsk) av det strømmende vannet overfører energi til løpehjulet. På grunn av denne ekstra bevegelseskomponent tillates turbinen å være betydelig mindre enn et vannhjul med samme ytelse. Da turbinene ble introdusert kunne de utnytte en større vannmengde ved å rotere betydelig raskere enn vannhjulene.
Den elementære sammenhengen for utviklet effekt ved rotasjon er W= F·ω, der P er effekt [Watt], T er dreiemoment [Nm] (kraft x arm) og ω er vinkelhastigheten [rad/s]. Av denne sammenhengen ser en at et høyt omdreiningstall gir stor ytelse, selv om momentet er lite. En annen fordel som gjelder med vannturbiner er at de kan utnytte mye større fallhøyder, enn et vannhjul. Istedenfor å utnytte noen få meter av et vannfall med et vannhjul, kan en vannturbin utnytte fallhøyder på godt over 1000 meter.
I tidlig utvikling av turbinkonstruksjoner var disse gjerne fysisk små, sammenlignet med dagens turbiner. En grunn til dette var verktøymaskiner og vansker med transport gjorde store turbiner problematisk. Moderne turbiner gjøres store og dette gjør at virkningsgrad også blir større. En annen ting er at kraftstasjonene kan gjøres mindre og mer kompakte med få og store turbiner. Et eksempel er Vemork kraftverk som stod ferdig i 1911 og var verdens største kraftverk med 10 turbiner. Samlet ytelse for disse turbinene var på 108 MW. Da det ble bygget et nytt kraftverk som erstatning for det gamle i 1971, fikk dette en bestykning på kun to francisturbiner med en samlet ytelse på 200 MW.
Peltonturbinen
Peltonturbinen brukes for høye trykk, men om vannføringen i vassdraget er liten kan den tilpasses kraftstasjoner for lav fallhøyde, se diagrammet over til høyre. Generelt er peltonturbinen den foretrukne turbintypen for utnyttelse av vannfall med stor fallhøyde og små vannmengder. Den største fallhøyden for et kraftverk noe sted i verden er Bieudron kraftverk i Sveits med 1 883 meter. Kraftverket har tre peltonturbiner som er verdens største med en ytelse på 423 MW hver.
I Norge har Sima kraftverk den høyeste fallhøyden på 1 152 meter. I dette kraftverket er det to peltonturbiner. Sammen med to andre enda større turbiner i samme installasjon utgjør dette Norges nest største kraftverk. Sima kraftverk har også de største peltonturbinene i Norge når det gjelder ytelsen, som er på 310 MW per enhet.
Peltonturbinen kjennetegnes med sitt spesielle løpehjul med skovler utformet som doble skåler med en kvass egg i midten. Hver av skålene er ovale og står montert tett langs periferien av løpehjulet. Vannstrålen fra dysen treffer eggen midt på og den kløyves, følger skålenes periferi og forlater dem etter å ha gjort en tilnærmet «u-sving». Denne bevegelsen med retningsforandring av vannet gir impuls, og størst moment virker på løpehjulet om hastigheten av løpehjulets periferi er tilnærmet av halvparten av strålehastigheten.
Tidligere ble skovlene laget av støypejern og skrudd på løpehjulskiven med bolter og skruer. Med utviklingen opp mot stadig større fallhøyde og påkjenninger ble det utviklet helstøpte hjul i rustfritt stål. Alle flatene som blir påvirket av vann er frest, slipt og polert.
For en eller to stråler i en peltonturbin er gjerne akslingen horisontal. Ofte er det flere enn to dyser langs turbinhusets periferi, spesielt når turbinens slukeevne skal gjøres stor, og da velger en å la turbinen ha vertikal aksling. Da vil arrangementet av rørene som fører vannet frem til dysene bli enklere. Disse tilførselrørene kalles grenrør og som navnet sier er dette rør som føres som greiner ut av ringledningen, se tegningen til høyre. Turbinhuset er laget av stålplater og på store turbiner er både turbinhuset, greinrørene og ringledningen støpt inn i betong. For inspeksjon er det mulig å komme til løpehjulet under. For å komme inn i ringeledningene for inspeksjon er det mannhull som en kan krype inn gjennom.
I hver dyse er det en nål som kan reguleres ut og inn, dermed kan vannstrålens tykkelse reguleres og ytelsen avgitt fra turbinen reguleres med disse. Når dysene stilles helt inn tetter den helt for vannet. Fra laveste til høyeste effekt åpnes én etter én dyse i intervaller for pådraget. Dermed kan virkningsgraden for en flerstrålet peltonturbin bli meget høy over et stort pådragsområde. En moderne peltonturbin har en virkningsgrad på rundt 92 %.
Ved et hurtig lastavslag, altså at generatoren plutselig må levere mindre eller ingen effekt, er det fare for at turtallet stiger raskt. Det er heller ikke ønskelig å stenge dysene for hurtig på grunn av store trykkendringer i vannveien. Om dette kan bli et problem er det for hver dyse en såkalt stråleavbøyer eller deflektor som skjærer inn i strålen og avskjærer den fra å treffe løpehjulet. Deretter kan dysenes nåler justeres sakte og kontrollert ned. Dysenålene og deflektorene blir regulert av et hydraulikkaggregat som er koblet til turbinregulatoren, som blir beskrevet lenger ned.
Vannet faller mer eller mindre ut dødt fra løpehjulet, altså at det har svært liten hastighet når det forlater turbinen. Under turbinen er det en avløpskanal som fører vannet tilbake til vassdraget eller ut i havet.
Francisturbinen
Francisturbinen er best egnet for lave og middels høye fallhøyder, fra rundt 40 til 600 meter, i noen tilfeller enda høyere. . Den har en virkningsgrad på 92 % eller litt høyere. Virkningsgraden varierer noe over pådragsområdet og mer enn for en flerstrålet peltonturbin. .
Turbinen er oppbygd av en spiraltromme som har stadig avtrappende diameter. Den ligner derfor på et sneglehus. I midten av denne spiraltrommen står løpehjulet. Langs den indre periferien av spiraltrommen er ledeskovlene montert. Disse kan regulere vannstrømmen inn på løpehjulet fra fullt åpen til stengt. Alle ledeskovlene er mekanisk lenket sammen slik at de beveger seg synkront og kalles ledeapparatet. Ledeskovlene gir vannet en hurtig rotasjonsbevegelse og vannet beveger seg gjennom løpehjulet og utnytter prinsippet om reaksjon. Vannets potensielle- og kinetiske energi (trykk og hastighet) blir avgitt gjennom løpehjulet. I motsetning til peltonturbinen skjer det altså endring av både trykk og hastighet for vannet i denne turbintypen.
Turbinhuset er viktig for å styre vannet gjennom turbinen. Når vannet forlater selve turbinen føres det ned i et rør rett under løpehjulet. Dette røret kan i noen tilfeller være laget for å skape sug under turbinen. Det kalles derfor for et sugerør eller en difusor. Etter sugerøret føres vannet i en sjakt hvor det endrer retning fra vertikalt til horisontalt. Vannet føres videre ut avløpskanalen og tilbake til vassdraget eller direkte til havet.
Utviklingen av francisturbiner har gått i retning av å gjøre dem så små som mulig. Dette betyr at omdreiningstall og vannhastigheten må økes. Dette kan føre til kavitasjonserosjon på løpehjulet. Et lavere sug i diffusoren vil redusere faren for kavitasjon. Det er derfor blitt vanlig å plassere francisturbiner noe lavere enn vannspeilet ved utløpet, noe som kalles dykking. Dykkingen måles som den vertikale avstanden fra løpehjulet til vannspeilet ved utløpet. .
Før 1920 var francisturbinene konstruert av støpejern, så gikk en over til støpestål og klinkede platekonstruksjoner i 1930-årene. Utviklingen har videre gått i retning av sveisede platekonstruksjoner. .
Turbinhuset og tilløpsrøret til francisturbinen blir støpt inn i betong i moderne kraftstasjoner. Tidligere var alltid akslingene horisontale og turbinhuset stod montert i kraftstasjonen, dette gjøres i dag bare i små kraftverk.
Kaplanturbinen
Kaplanturbinen er en turbin av reaksjonstypen, som betyr at vannet gir fra seg potensiell energi (trykk) gjennom den. Turbintypen passer for små fallhøyder og store vannmengder. Virkningsgraden kan typisk være opp mot 93 %, altså like mye som for francisturbinen.
Løpehjulet ser ut som en skipspropell og konstruksjonen er en videreutvikling av francisturbinen. Spiraltrommen med ledeskovler er veldig lik francisturbinen, stort sett er det løpehjulet som er vesensforskjellig. Ledeskovlene setter opp en roterende vannstrøm radielt på akslingen, vannstrømmen bøyer av slik at den treffer løpehjulet i aksiell retning. Som regel er bladene (skovlene) på løpehjulet vribare, noe som gjør at virkningsgraden kan bli høy over et stort pådragsområde. Ledeskovlene brukes til å justere pådraget, mens justeringen av bladene på løpehjulet gjøres for å optimalisere virkningsgraden for valgt pådrag.
Moderne kaplanturbiner har løpehjul i rustfritt kromnikkelstål, noe som er et materiale motstandsdyktig mot kavitasjon. Videre har en funnet at om fallhøyden skal økes for denne turbintypen må skovlene forlenges i strømningsretning og antallet skovler økes med opptil åtte enheter. Dette har gjort at kaplanturbinen nå kan egne seg for fall helt opp mot 60 til 70 meter. Imidlertid byr det på konstruksjonsmessige utfordringer fordi navet i senter av løpehjulet blir komplisert med alle delene som da skal få plass. Kaplanturbiner for fallhøyder over 50 meter blir gjerne kalt for høytrykks-kaplanturbin.
Illustrasjonen til høyre viser en kaplanturbin med bare fire skovler, som altså egner seg best for små fall. Legg merke til personen som står ved siden av turbinen, og som illustrerer de store dimensjonene det er snakk om for aggregatet. Videre kan en se at rotoren til generatoren, altså skiven i rødt øverst, har meget stor diameter i forhold til resten av konstruksjonen. Grunnen er lav hastighet og mange poler, som gjør at generatoren blir kostbar. Mer om dette i avsnittet lenger ned om generatoren.
Kraftstasjoner med kaplanturbin har ofte bare én stor turbin og disse er sjelden sprengt ut i fjell. Ofte er kraftstasjonen og demningen del av samme bygningskropp. Bildet helt først i artikkelen viser en stilisert kraftstasjon som gjerne kan ha kaplanturbin. Turbinen er sjelden dykket, altså at den ligger lavere enn vannspeilet til utløpet, dette på grunn av at bygningsmessige forhold gjør det vanskelig med et dyptgående sugerør. Sugerøret eller diffusoren under turbintrommen skal sørge for at vannets hastighet omsettes til trykk (undertrykk) og påvirker turbinens virkningsgrad. Røret anlegges gjerne så grunt som mulig og lages oftest rektangulært ved utløpet. Konusen, altså den første delen av sugerøret ut av turbintrommen lages av stålplater, mens den siste delen lages av betong.
Bulbturbinen
Bulbturbinen, eller rørturbinen er så lik kaplanturbinen at den i mange sammenhenger ikke omtales som en egen turbintype. Løpehjulet er helt likt det for kaplanturbinen, men det står ikke inne i en turbintromme. Istedenfor er akslingen horisontalt oppstilt og stikker ut av en stor bulb (fornorskning av det engelske ordet for lyspære) der generatoren er innbygd, og det hele er montert i senter av et rør. Til forveksling ligner dette på en ubåt med en stor propell plassert inne i et stort rør, se illustrasjon til høyre. Vannet strømmer aksielt inn på ledeskovlene, og disse heller vanligvis 60° i forhold til akslingen. Etter løpehjulet følger et sugerør.
Bruksområdet for denne turbintypen er vannfall med store vannmengder og liten fallhøyde, maksimalt 20 til 25 meter, men gjerne enda mindre. En regner maksimalytelsen til å være rundt 60 MW. Spesielt egner den seg for elvekraftverk og en fordel er at bygningsmessige forhold blir enklere og billigere enn om en kaplanturbin benyttes. Dette har å gjøre med mindre høyde og bredde for bygningen.
Det er ikke mange kraftverk med denne turbintypen i Norge, men Kongsvinger kraftverk, Braskereidfoss kraftverk og Pikerfoss kraftverk er eksempler der bulbturbin er installert.
Andre turbintyper
Det finnes en rekke andre vannturbiner enn de som er beskrevet her, noen har størst historisk interesse, mens andre brukes utelukkende for mindre vannkraftverker. Turgoturbinen er en turbin som har visse likheter med peltonturbinen, men skålene på løpehjulet er formet som en halv skål. Hele strålen avbøyes i en retning, og kløyves ikke som i en peltonturbin. En annen turbin med en viss utbredelse er Bankiturbinen. Felles for disse er at de har betydelig lavere virkningsgrad enn de vanligste turbintypene, men de er gjerne billigere å produsere.
Valg av turbintype
Valg av turbintype avhenger av forhold som fallhøyde, vannføring (slukeevnen), belastningsforløp, prisen for solgt elektrisk kraft og vannkvaliteten (forurensning og sand). De to mest avgjørende faktorene er gjerne fallhøyde og slukeevnen. Ofte er det ønskelig med to eller flere turbiner i kraftstasjonen, dermed skal den totale vannføringen fordeles på flere turbiner, og valget av type kan bli avhengig av antallet turbiner.
I valget står en noen ganger mellom en peltonturbin eller francisturbin, og i slike tvilstilfeller ligger gjerne fallhøyden mellom 500 og 700 meter. Dette kaller en gjerne for midlere fallhøyder. Her kan virkningsgradskarakteristikkene komme inn i bildet, se figuren til oppe til høyre der avsnittet om turbiner begynner. Generelt er maksimal virkningsgrad for en francisturbin høyest, men en peltonturbin med flere stråler har høyere virkningsgrad over et større pådragsområde. Virkningsgraden for en flerstrålet peltonturbin kan være over 90 % i intervallet fra 25 til 150 % av nominell effekt. Forventes det varierende pådrag vil peltonturbinen dermed kunne være mest gunstig. Et annet forhold er at francisturbinen krever utsprengning og stor plass for sugerøret.
På den annen side vil peltonturbinen der den brukes for midlere fallhøyde og gjerne stor slukeevne, ha lav vannhastighet og konstrueres med mange stråler med stor diameter, og dermed lavt omdreiningstall. Dette betyr i neste omgang en større generator (flere poler ved lav hastighet) som er mer kostbar. Imidlertid vil de totale investeringskostnadene gjerne være små i forhold til kostnadsforskjellen på grunn av forskjellig virkningsgrad.
Om det i tillegg må gjøres vurderinger basert på vannkvaliteten på grunn av innhold av sand kommer peltonturbinen oftest best ut. Grunnen til dette er at demontering og skifte av deler som slites av sand tar kortere tid for en peltonturbin. Valget her er også avhengig av brukstiden, om turbinen har kort brukstid vil den være ute av drift i lengre perioder og da kan den også vedlikeholdes. Da kan francisturbinen komme best ut. Av alle disse momentene kan overveielsen bli et komplisert teknisk-økonomisk problem.
Valg mellom francisturbin og kaplanturbin oppstår der fallhøyden er mellom 60-70 meter. Her er det også virkningsgradskurvene for de to turbintypene som kan bli avgjørende. Kaplanturbinen har med sine vribare løpehjulskovler en virkningsgrad som er stor over et mye større pådragsområde enn francisturbinen. Dermed faller kaplanturbinen gunstig ut om aggregatene ofte vil kjøres med redusert pådrag. Av ulempene med kaplanturbinen er at den er mer kostbar og den er i tillegg mer utsatt for kavitajson. Kaplanturbinen må dykkes mer, noe som igjen øker utbyggingskostnadene.
For svært lave fallhøyder, under 20 meter, kan valget stå mellom en kaplanturbin og en bulbturbin. Bulbturbinen har mer gunstig strømningsforhold inn på løpehjulet. Dette gjør at løpehjulets diameter for bulbturbinen under ellers like forhold kan reduseres med 15 % i forhold til kaplanturbinen. En annen konsekvens av dette er noe bedre virkningsgrad. Bulbturbinen har bedre egenskaper når det gjelder kavitasjon, og dette gjør igjen at den ikke trenger å være så mye dykket som kaplanturbinen. Bygningskonstruksjonen for en bulbturbin kan dermed bli lavere og mer kompakt, dermed reduseres kostnadene ytterligere. Bulbturbinen kommer enda gunstigere ut i sammenligningen om det må være flere turbiner. Dette fordi spiraltrommen gjør kraftstasjonen bredere. På den anen side er bulbturbinen kostbarere i seg selv.
Oppbygging og virkemåte
I et stort kraftverk brukes så å si kun synkrongeneratorer for produksjon av trefaset vekselstrøm. For en synkrongenerator er det et helt lineært forhold mellom turtallet og frekvensen til strømmen den produserer, derav navnet. Synkrongeneratoren består av en stator med viklinger som tilknyttes kraftnettet. Elektromagnetisk induksjon skaper en såkalt elektromotorisk spenning i statorens viklinger. Denne induserte spenningen er drivende spenning i kraftsystemet. Rotoren, eller også kalt polhjulet, har også påmonterte viklinger, kalt utpregede poler. Disse er vekselvis nord- og sørpol. Polhjulet roterer i senter av statoren og setter opp det magnetiske feltet som forårsaker induksjon i statoren. Formelen som beskriver forholdet mellom turtall, poler og frekvens uttrykkes som vist i formel til høyre.
Fra formelen finner en at generatorens turtall kan være 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500, ... omdreininger i minuttet (rpm). Imidlertid er det vanlige for vannturbiner et turtall mellom 1000 og 100 rpm. Som nevnt øker generatorens fysiske dimensjoner med antall poler, noe som også gjør at kostnadene øker. Dermed blir gjerne generatoren i et elvekraftverk med en stor saktegående kaplanturbin kostbarere enn en hurtig peltonturbin.
Rotorens poler får strøm fra en likespenningskilde, strømmen fra denne kalles magnetiseringsstrømmen. Styrken av magnetiseringsstrømmen må reguleres av en regulator, kalt spenningsregulatoren. Virkemåten til denne er forklart i avsnittet lenger ned.
Generator for pumpekraftverk
En synkrongenerator kan like gjerne gå som motor. Når det skjer skifter momentet på akslingen retning og det samme skjer med effekten på ledningene ut til kraftsystemet. I akademisk litteratur gjøres det ikke forskjell på en synkrongenerator eller motor, men en omtaler begge deler som en synkronmaskin. I et pumpekraftverk kan den samme synkronmaskinen drive rundt både pumpen og turbinen. Dermed monteres alle tre maskinene på samme aksling.
Generator for mini- og mikrokraftverk
I mini- og mikrokraftverk er det ikke uvanlig at det settes inn asynkrongenerator istedenfor synkrongenerator. Grunnen er at disse maskinene er billigere enn synkrongeneratorer. Ofte er slike kraftverk konstruert for alltid å ha forbindelse med kraftnettet, dessuten har de en svært liten ytelse i forhold til resten av kraftsystemet. Dermed trenger de ikke egen turbinregulator for å holde hastigheten konstant, dette vil det overliggende kraftnettet sørge for. Det overliggende kraftnettet vil også kunne holde spenningen konstant, dermed trenger heller ikke generatoren i slikt kraftverk spenningsregulator. Disse regulatorene er kostbare og ved å utelate disse kan et mini- eller mikrokraftverk gjøres billig og enkelt. Bare i tilfeller der et lite kraftverk skal forsyne et helt isolert kraftsystem trenges turbinregulatoren, og en vil dessuten gjerne velge en synkronmaskin. Mer om spennings- og turbinregulatoren i avsnitt lenger ned.
I mini- og mikrokraftverker kan turbinens pådrag reguleres for å holde vannstanden i inntaksdammen konstant, med andre ord kjøres for samme vannføring som i elven. Dette kan gjøres med en nivåmåler i dammen som gir signal til en enkel regulator som regulerer pådraget på turbinen. En enda enklere tilnærming er å dimensjonere turbinen for husholdningen eller industribedriften den skal levere energi til. Skal effekten leveres til bare én husstand eller én liten industribedrift vil en effekt på noen få kW levert konstant kunne være et nyttig tilskudd. Om elven i et slikt tilfelle har en vannføring som alltid er større enn den største slukeevne til turbinen trenges ingen som helst regulator, bare en enkel ventil for å stenge eller åpne for vannet.
Transformatoren
Ofte vil spenningen for kraftledningen som kraftstasjonen er tilknyttet ligge på et mye høyere spenningsnivå enn det som er praktisk å konstruere generatoren for. Dermed må det være en transformator mellom generatoren og kraftledningen.
I et mini- eller mikrokraftverk kan en ofte sette inn en generator med samme spenning som brukes i husholdningen eller industribedriften det tilknyttes. Dermed trenges heller ingen egen transformator for et lite privat vannkraftverk.
Turbinregulator
I et kraftsystem må det til enhver tid være eksakt like stor produksjon av effekt som forbruk av effekt, altså likevekt mellom effekt inn og ut av systemet. Det er turbinregulatoren på hvert enkelt aggregat som sørger for dette. Turbinregulatoren regulerer pådraget (vann inn på turbinen) for å gi tilnærmet konstant nettfrekvens ved varierende belastningsgrad. Ved økende elektrisk last vil aggregatet begynne å sakke, og regulatoren vil øke vannmengden. I et større kraftnett er alle generatorene regulert sammen slik at de utgjør ett samlet, stivt nett. Spenning og frekvens for hvert enkelt generator er da tilnærmet upåvirkelig.
For å få alle aggregatene til å dele belastningen mellom seg er regulatorene innstilt for å gi et såkalt stasjonært avvik. Dermed virker den som en P-regulator (proporsjonal-regulator) etter at nytt stabilt arbeidspunkt er oppstått etter en ny lastendring. Det vil si at det skal være en bestemt sammenheng mellom frekvensen og effekten, slik at frekvensen er litt større når aggregatet går i tomgang enn ved full belastning. Dette vil igjen si at når belastningen i nettet er lite, for eksempel om kvelden og natten, vil frekvensen tendere mot å være høy. Motsatt vil frekvensen bli noe lavere ved stor belastning, for eksempel om morgenen med stort samtidig forbruk i husholdningene. Dermed vil enhver turbinregulator regulere opp pådraget og produksjonen når frekvensen/turtallet faller og dermed øke effektproduksjonen. Motsatt reguleres pådraget ned ved økende frekvens. På denne måten møtes forbrukernes behov automatisk. Ved at alle aggregater blir regulert på denne måten blir systemet stabilisert, altså at det alltid oppnås likevekt mellom forbruket og produksjonen etter en liten tid (sekunder).
Statnett setter krav til at generatorer over 10 MW skal ha egen turbinregulator, mens aggregater mellom 1 og 10 MW kan ha en såkalt forenklet turbinregulator.
Transient respons og roterende masse
Om det i kraftsystemet skjer en lastreduksjon (forbrukerne reduserer sitt energiforbruk) vil ikke turbinenes regulatorer respondere momentant, dessuten kan ikke vannet i en tilførselstunnel som kanskje er flere kilometer lang kunne redusere hastighet momentant. Dette blir analogt med et stort godstog, det kan veie mange tusen tonn og selv om det har stor bremsekraft tar det lang tid å redusere hastigheten. Dermed vil en lastreduksjon føre til at hastigheten til aggregatene øker og frekvensen i nettet går opp. Dette fordi alle de tilknyttede generatorene har konstant moment gitt av turbinene, samtidig som effekten reduseres. De to formlene rett over viser sammenhengen matematisk. Motsatt vil en lastøkning føre til redusert omdreiningstall og frekvens. Dette fordi momentet i første omgang er konstant, effekten øker og turtallet må da gå ned.
I aller første omgang er det aggregatenes samlede opplagrede kinetiske energi i de roterende masser (treghetsmoment) som tar opp eller leverer ut energi. Siden de roterende masser i turbinene og generatorene tilsammen i et stort kraftsystem veier mange hundretusen tonn vil en liten hastighetsendring kunne bety mye opptatt eller frigjort energi. Dette er med på å dempe ut virkningen av turbinens og vannvegens treghet.
I neste omgang responderer turbinregulatorene på lastendringen. En spesiell egenskap med et vannkraftverk er at responsen skjer motsatt av turbinregulatorens inngripen for endring av pådraget. Ved en lastøkning vil regulatoren til en francis- eller kaplanturbin sørge for at pådraget til turbinen økes ved at ledeskovlene vris slik at det blir større åpning. I første omgang vil ikke vannet i vannveien endre hastigheten som forklart over. Dette resulterer i lavere trykk og moment på løpehjulet. Turbinen får dermed redusert effektproduksjonen, altså det motsatte av hva kraftsystemet etterspurte. Etter noen få sekunder akselerer vannet i vannveien og ønsket produksjon oppnås. Motsatt respons skjer ved en lastreduksjon i nettet, turbinene responderer med økt effekt fordi ledeskovlene reduserer åpningen og trykket øker. Også denne endringen er de roterende masser i aggregatene med på å dempe ut. I en peltonturbin skjer noe av den samme responsen på en lastendring.
Som forklart i avsnittet om svingekammeret vil det bygges opp høyere vannstand i svingekammeret ved reduksjon av pådraget. Dette fører til økt fallhøyde og økt effekt avgitt fra turbinene. Det ble også forklart at det skjer et svingeforløp slik at nivået i svingkammeret en stund senere kommer lavere enn nivået i inntaksdammen, noe som igjen reduserer effekten fra aggregatet. Kortvarig vil turtallet og frekvensen til aggregatet øke og minke, alt etter regulerstyrken til turbinregulatoren påvirker pådraget i større eller mindre grad. Om denne oscillasjonen til vannet mellom svingkammeret og inntaksdammen har en frekvens som responderer dårlig med turbinregulatorens tidsrespons kan svingningen bli forsterket. En sier at systemet blir ustabilt, altså en systemegenskap som må undertrykkes.
Systemer som oppfører seg på denne måten kalles for dynamiske systemer, og den transiente responsen på en forstyrrelse fører til et svingeforløp før regulatoren gir en ny likevekt. Regulatoren må ha spesielle egenskaper for å dempe ut svingningene slik at minimums- og maksimumsverdiene skal bli minst mulige og forløpet kortest mulig varighet.
Spenningsregulatoren
Spenningsregulatoren skal sørge for å holde spenningen på generatorens terminaler tilnærmet konstant. Ved en økning av produksjonen vil spenningen fra generatoren gå ned, dette må kompenseres med større magnetiseringsstrøm. Det motsatte skjer med redusert produksjon og magnetiseringsstrømmen må da reduseres. Spenningsregulatoren kan virke på samme måte som turbinregulatoren med fallende statikk. Dermed er også spenningen noe som reguleres mellom alle de sammenkoblede generatorene i kraftsystemet. Den kan også være innstilt for å gi konstant reaktiv effekt eller effektfaktor (cos fi). Spenningsregulatorer for generatorene er viktige komponenter i kraftsystemet fordi de opprettholder spenningen for alle nettnivåene helt ut til forbrukerne.
Spenningsregulatorer kan også innstilles for å gi konstant spenning uavhengig av effektproduksjonen, for konstant effektfaktor eller en gitt konstant reaktiv effektproduksjon. Også for spenningen skjer det en transient respons ved en forstyrrelse. Spenningsregulatoren må ha egenskaper som demper ut forstyrrelser og oppretter ny likevekt i kraftsystemet.
Kraftstasjonen
Kraftstasjonen er delen av et kraftverk der turbin, generator og tilhørende utstyr og anlegg står montert. Tidligere var dette så å si alltid en frittstående bygning, mens i dag i Norge er kraftstasjonen ofte en fjellhall. Spesielt etter 1945 ble det bygget et stort antall kraftstasjoner i fjell i Norge. Et motiv for dette var ønske om beskyttelse av denne viktige infrastrukturen som den kalde krigen førte til. I 2002 hadde Norge 200 av totalt 500 vannkraftstasjoner i fjell i verden.
Verdens første kraftstasjon i fjellhall var Snoqualmie Falls Hydroelectric Plant i King County (Washington) fra 1899. De første underjordiske kraftverkene i Tyskland ble bygget i tilknytning til gruver. Ved «Grube Samson» i Harz ble kraftverket Sieberstollen installert i 1912. Ved «Drei-Brüder-Schacht» i Sachsen ble det etablert kraftverk i fjell i 1914. Det som regnes som den første norske kraftstasjonen i fjellhall er Såheim kraftstasjons aggregat 12 fra 1914, som ligger ca. 85 meter opp i rørgaten fra selve Såheim kraftstasjon. Aggregatet utnytter fallet for vannet som ble brukt til kjøling i industrien og drikkevann til Rjukan by. Porjus kraftverk i Nord-Sverige ble oppført 1910-1915 og regnes ofte som en av verdens første større kraftstasjoner i fjell. Maskinsalen på 8470 m3 var her plassert 50 meter under bakken. Bjørkåsen kraftverk i Ballangen i Nordland fylke ble satt i drift i 1921 er et annet tidlig eksempel på en større, komplett kraftstasjon i fjell.
Fjellhallen kan være flere hundre meter inn i fjellet og en egen tunnel for biler fører inn til en parkeringsplass. Fra parkeringsplassen går det en kort adkomsttunnel til maskinsalen. Her stikker generatortoppen opp og ofte er det kun sleperingene med hus som er synlig. Turbin og generator har i større kraftverker som nevnt vertikal aksling. Dermed blir det naturlig å plassere turbinen i en etasje og generatoren i etasjen over. Turbinen med tilløpsrør og grenrør for en peltonturbin, eller turbintrommen for en kaplan- eller fransisturbin, støpes inn i betong. Dermed kan disse bare inspiseres fra innsiden under stans. Ofte er det en egen etasje mellom turbinen og generatoren, og her er gjerne en rekke apparater og systemer plassert, som turbinregulatoren og tilhørende hydraulikkaggregat. Generatoren må ha kjøling og typisk skjer det med en varmeveksler av typen luft til vann. For store generatorer er det gjerne ikke nok med luftkjøling, og da brukes kjølevann som sirkulerer i viklingene. Det vil si at viklingene både i stator og rotor er hule slik at kjølevannet strømmer gjennom dem.
Over generatoren er selve maskinsalen, og for å kunne demontere generatoren er gulvet formet som store luker. Oppe ved taket er det en traverskran som kan løfte opp akslingen med generatorens rotor og turbinens løpehjul i et stykke. Dette er grunnen til at maskinsalen har stor takhøyde. I forbindelse med maskinsalen er det gjerne et eget kontrollrom. Transformatorene plasseres av sikkerhetshensyn i et helt eget rom i fjellet(Grunnen til dette er at de er oljefylte noe som representerer en viss risiko for eksplosjon og brann) det samme er effektbrytere og andre høyspentkomponenter(Grunnen til dette er berøringsfare og faren for lysbuer). Tidligere var kraftstasjonene for vannkraftverk som nevnt alltid en egen frittstående bygning, med aggregater med horisontal aksling. Generatorene stod rett inntil turbinene og flere lagerbukker virket som opplagring for akslingen. Kraftstasjonen hadde i disse arrangementene gjerne en stor maskinsal der de fleste av anleggsdelene stod. Under gulvet i maskinhallen var det kanaler for luftkjøling av generatorene, samt nedstøpte tilløpsrør. Selve kontrollrommet var ofte en åpen balkong med utsikt over maskinhallen. Dette ble kalt «brettet» og den som stod vakt ved kontrollpanelet ble kalt «brettvakten».
I dag er det helst i små-, mini- og mikrokraftverker at akslingen er horisontal og denne klassiske oppstillingen fortsatt forekommer.
Utløpstunnelen
Fra turbinen fører som nevnt sugerøret (diffusoren) ned til avløpstunnelen som enten fører vannet tilbake til vassdraget eller ut i havet. Dersom kraftverket har peltonturbiner, faller vannet tilnærmet dødt ned fra turbinen og føres ut på samme måte i en avløpstunnel. Avløpet kan også være i form av en kanal eller åpen renne. I motsetning til tilløpstunnel og trykksjakt er ofte ikke hele avløpstunnelens tverrsnitt vannfylt.
Drift og energiplanlegging i det nordiske kraftsystemet
Ved driftsplanleggingen i det liberaliserte nordiske kraftmarkedet er det kjøpere og selgere av elektrisk energi som planlegger produksjonen. Hvert kraftselskap planlegger hvor mye kraftverkene skal produsere time for time. Dette innebærer også at noen kraftverk stanses, for eksempel fordi magasinene er tomme, en vil spare vannet til en tid med høyere pris eller for å få utført nødvendig vedlikehold. På den annen side kan det være et sjansespill å vente for lenge med å produsere kraft, kanskje må en aktør selge sin vannkraft billig for å unngå at magasinene renne over. Om magasinene virkelig renner over fås ikke noen inntekter fra dette vannet.
I markedet for krafthandel skjer handelen dagen i forvegen. Noe selges og kjøpes på langtidskontrakter, kanskje flere år i forvegen, men mye avgjøres på korte tidsperspektiver. Denne produksjonsplanleggingen kan ikke treffe helt presist, selv ikke om handelen altså avgjøres dagen i forvegen. Det kan bli varmere eller kaldere vær slik at husholdningene bruker mer eller mindre energi enn forutsatt. Videre kan smelteverk som bruker mye elektrisk kraft få feil slik at det må stanses uforutsett. Det kan også oppstå utfall av kraftlinjer, transformatorer eller aggregater får feil og må stanses. Statnett har til oppgave å sørge for den endelige balansen, og er systemansvarlig i Norge.
At det finnes roterende reserve og mulighet for å regulere pådraget i kraftverkene noe opp eller ned kalles for kraftsystemets primærreserver. Alle kraftverkene i Finland, Norge og Sverige er sammenkoblet og reguleringen skjer samtidig i alle kraftverkene. Det er en viktig oppgave for den som har systemansvar å sørge for tilstrekkelig roterende reserve.
Etter at primærreguleringen, altså turbinregulatoren, har sørget for likevekt mellom produksjon og forbruk vil det oppstå et frekvensavvik, altså at frekvensen er kommet utenfor det ønskede intervallet, som i Skandinavia er på 49,90-50,10 Hz. Imidlertid er det et krav at frekvensen skal være så nær 50 Hz som mulig og produksjonen blir regulert opp eller ned for å oppnå dette. For å gjøre dette blir turbinregulatorenes statikk justert noe opp eller ned. Stigningstallet er allikevel det samme (linjen som viser regulerstyrken blir altså parallellforskjøvet). Denne typen regulering kalles sekunderregulering og også den skjer automatisk. Responsen på sekundærreguleringen skal være ca. 120-210 sekunder i Skandinavia.
Sekundærreguleringen er i likhet med primærreguleringen en reserve, kalt sekunderreserven. Denne står også til rådighet for uforutsette endringer. I Skandinavia brukes den som nevnt for å utjevne frekvensavvik og holde 50 Hz mest mulig konstant, mens den i resten av Europa også brukes for å håndtere avvik i effektflyten mellom landene.
Miljøproblemer
Et vannkraftverk har ingen utslipp som er skadelige for miljøet, men representerer allikevel et stort inngrep i naturen. I et globalt miljøperspektiv er derfor vannkraft sett på mer som enn løsning enn et problem, derimot kommer vannkraftutbygging i konflikt med klassisk naturvern. Klassisk naturvern dreier seg om naturfredning og bevaring, det være seg områder eller arter. Et vannkraftverk endrer vannføringen i et vassdrag i betydelig grad, reguleringsdammer setter nye arealer under vann og representere fysiske stengsler for fisk og dyr. Gyteforholdene for fisk blir påvirket på flere forskjellige måter, og i flere norske elver får dette store konsekvenser for blant annet laksebestanden.
Bruk av vannkraft i verden
Vannkraft er den mest brukte formen for fornybar energi, og sto i år 2010 for 16 % av verdens elektrisitetsproduksjon eller 3 427 TWh. Produksjonen forventes å øke med om lag 3,1 % hver år de neste 25 årene.
Kina er den største vannkraftprodusenten med en produksjon på 721 TWh i 2010, som dekker rundt 17 % av strømforbruket til husholdningene. Det er nå tre vannkraftverk i verden som er større enn 10 GW: De tre kløfters demning i Kina, Itaipu-demningen på grensen mellom Brasil og Paraguay, og Guri-demningen i Venezuela.
Verdens desidert største vannkraftverk, som også er verdens største kraftverk uansett type, er det som tilhører De tre kløfters demning i Kina. Dette har ifølge prosjektets hjemmeside 32 turbiner med en nominell ytelse hver på 710 MW. Tilsammen blir dette en ytelse på 22,72 GW. Imidlertid er maksimal ytelse per turbin oppgitt til hele 852 MW og de 32 turbinene kan om de går for fullt yte 27,3 GW. Den forventede årlige kraftproduksjonen vil være over 100 TWh.
Kostnaden for vannkraft er relativt lav, noe som gjør det til en konkurransedyktig kilde til fornybar elektrisitet. Den gjennomsnittlige kostnaden for elektrisitet fra et vannkraftanlegg større enn 10 MW er 3-5 US cent per kWh, eller 25 øre per kWh i Norge.
Arkitektur og kulturminner i kraftproduksjon
Kraftutbygginger og elektrisitet har representert store endringer i samfunnet og en enorm velstandsutvikling. I mange land startet denne utviklingen i 1880-årene og skjedde med stadig større fart utover på 1900-tallet. Kraftstasjonene som ble bygget i denne tidlige epoken ble sett på som det ypperste av avansert teknologi og vitenskapelig fremskritt. Vannkraften skapte industriutvikling, arbeidsplasser og en enklere hverdag for folk flest. Noen av datidens beste arkitekter ble involvert for å utforme kraftstasjonenes eksteriør og interiør. Formgivningen viste kraftverkenes betydning og var viktige symbolbygg.
Haleakala nasjonalpark
Nasjonalparken består av to områder: vulkanen og kystområdet ved Kipahulu. Haleakalāvulkanens krater er 11 km i diameter og 700 meter dypt.
Kystsonen Kipahulu, med sårbar regnskog og de idylliske badedammene i ʻOheʻo Gulch, er delvis sperret for ferdsel.
Fordi parken er et vulkansk område, er alle plantene og dyrene som nå er til stede på øya blitt fraktet dit av fugler eller mennesker, eller naturlig gjennom luften eller sjøen. De fleste artene er lokalt tilpassede underarter som er endemiske for området, og det finnes flere truede arter i Haleakala nasjonalpark enn i noen annen nasjonalpark i USA.