Hydrauliska effektegenskaper, hur det fungerar, fördelar, användningsområden

5041
Alexander Pearson
Hydrauliska effektegenskaper, hur det fungerar, fördelar, användningsområden

De hydraulisk energi är vattenets förmåga att producera arbete i form av rörelse, ljus och värme baserat på dess potential och kinetiska energi. Det anses också vara en ren och högpresterande förnybar energi.

Denna energi bestäms av flödet, ojämnheten mellan punkter på marken genom vilken vattnet rör sig och tyngdkraften. Den har använts av människor sedan urminnes tider för att utföra olika jobb.

Itaipú-dammen (Brasilien och Paraguay). Källa: Angelo Leithold [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

En av de första användningarna som gavs till hydraulisk energi var att driva vattenfabriker som utnyttjade kraften i strömmen. På detta sätt kunde kärnstenar flyttas för att tröska vete med hjälp av redskap..

För närvarande är dess mest relevanta tillämpning generering av elektrisk energi genom hydrauliska kraftverk eller vattenkraftverk. Dessa anläggningar består i grunden av en damm och ett system av turbiner och generatorer..

Vattnet ackumuleras i dammen mellan två nivåer av kanalen (geodetisk ojämnhet) och genererar gravitationell potentialenergi. Därefter aktiverar vattenströmmen (kinetisk energi) turbiner som överför energin till generatorer för att producera elektrisk energi.

Bland fördelarna med hydraulisk energi är att den är förnybar och icke-förorenande, till skillnad från andra energikällor. Å andra sidan är den mycket effektiv med en prestanda som sträcker sig från 90 - 95%..

Miljöpåverkan från vattenkraftverk är förknippad med variationen i temperatur och fysisk förändring av vattendraget. På samma sätt produceras spilloljor och fetter som filtreras från maskinen.

Dess huvudsakliga nackdel är den fysiska förändring som den orsakar på grund av översvämning av stora områden och flodernas naturliga flöde och flöde förändras..

Det största vattenkraftverket i världen är The Three Gorges, som ligger i Kina, vid Yangtze-floden. De andra två som är viktiga är de för Itaipú vid gränsen mellan Brasilien och Paraguay och Simón Bolívar eller Guri vattenkraftverk i Venezuela.

Artikelindex

  • 1 Funktioner
    • 1.1 Prestanda
  • 2 Hur fungerar vattenkraft?
    • 2.1 Omvandling av solenergi till kinetisk energi
    • 2.2 Produktion av el från hydraulisk energi (vattenkraft)
  • 3 Fördelar
    • 3.1 Det är ekonomiskt
    • 3.2 Den kan förnyas
    • 3.3 Hög prestanda
    • 3.4 Det är inte förorenande
    • 3.5 Förekomst av reservoarer
  • 4 Nackdelar
    • 4.1 Beroende på nederbörd
    • 4.2 Ändring av naturens gång
    • 4.3 Risk för dammbrott
  • 5 användningsområden
    • 5.1 Vattenhjul och pumpar
    • 5.2 Kvarnar
    • 5.3 Smide
    • 5.4 Hydraulisk fraktur
    • 5.5 Vattenkraftverk
  • 6 Exempel på vattenkraftverk
    • 6.1 De tre ravinerna
    • 6.2 Itaipu
    • 6.3 Simon Bolivar (Guri)
  • 7 Referenser

Egenskaper

Källan till hydraulisk energi är vatten och det anses vara förnybar energi så länge vattencykeln inte förändras. På samma sätt kan det producera arbete utan att generera fast avfall eller förorenande gaser och därför anses det vara en ren energi.

Prestanda

Energieffektivitet avser förhållandet mellan mängden energi som erhålls i en process och den energi som var nödvändig för att investera i den. När det gäller hydraulisk energi uppnås en prestanda mellan 90 och 95% beroende på vattnets hastighet och det använda turbinsystemet..

Hur fungerar vattenkraft?

Schema för ett vattenkraftverk. Källa: Användare: Tomia [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Omvandling av solenergi till kinetisk energi

Grunden för hydraulisk energi ligger i solenergi, landets topografi och jordens allvar. I vattencykeln orsakar solenergi avdunstning och sedan kondenserar vattnet och fälls ut på jorden..

Som en följd av ojämn mark och tyngdkraften förekommer ytvattenströmmar på jordytan. På detta sätt omvandlas solenergi till kinetisk energi på grund av vattenrörelse genom den kombinerade effekten av ojämnhet och tyngdkraft..

Senare kan vattnets kinetiska energi omvandlas till mekanisk energi som kan utföra arbete. Exempelvis kan blad flyttas som överför rörelsen till ett växelsystem som kan manövrera olika enheter..

Storleken på den hydrauliska energin ges av ojämnheten mellan två givna punkter i kanalen och flödet av densamma. Ju större ojämnheter i landet är, desto större är vattnets potential och kinetiska energi såväl som dess förmåga att generera arbete..

I denna mening är potentiell energi den som ackumuleras i en vattenkropp och är relaterad till dess höjd i förhållande till marken. Å andra sidan är kinetisk energi den som frigörs av vatten i dess fallande rörelse som en funktion av topografi och gravitation..

Elproduktion från hydraulisk energi (vattenkraft)

Den kinetiska energi som genereras av fallande vatten kan användas för att producera elektrisk energi. Detta uppnås genom att bygga dammar där vatten ackumuleras och hålls kvar på olika höjdnivåer..

Således är vattnets potentiella energi direkt proportionell mot skillnaden i nivå mellan en punkt och en annan och när vattnet faller omvandlas det till kinetisk energi. Därefter passerar vattnet genom ett system av roterande blad och genererar kinetisk rotationsenergi.

Rotationsrörelsen tillåter rörliga växelsystem som kan aktivera mekaniska system som kvarnar, hjul eller generatorer. I det specifika fallet med vattenkraftproduktion kräver systemet ett turbinsystem och en generator för att generera el..

Turbiner

Turbinen består av en horisontell eller vertikal axel med ett system av blad som genom vattenets kraft får axeln att rotera.

Det finns tre grundläggande typer av hydrauliska turbiner:

Pelton-turbin
Pelton-turbin. Källa: Robertk9410 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Det är en högtrycksimpulsturbin med en horisontell axel som fungerar utan att vara helt nedsänkt. Pumphjulet har en serie konkava blad (blad eller tänder) som drivs av vattenstrålar.

Ju mer vattenstrålar kolliderar med turbinen, desto mer kraft kommer den att generera. Denna typ av turbin används för vattenfall från 25 till 200 meter höga och uppnår en verkningsgrad på upp till 90%.

Francis turbin
Francis turbin. Källa: Den ursprungliga uppladdaren var Stahlkocher på tyska Wikipedia. [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

Det är en reaktionsturbin med mellantryck med en vertikal axel och fungerar helt nedsänkt i vatten. Pumphjulet består av blad som drivs av vattnet som leds genom en distributör.

Den kan användas i vattenfall från 20 till 200 meter höga och når en verkningsgrad på 90%. Detta är den typ av turbiner som oftast används i stora vattenkraftverk i världen..

Kaplan-turbin
Kaplan-turbin. Källa: TheRunnerUp [CC BY-SA 3.0 på (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/at/deed.en)]

Det är en variant av Francis-turbinen och som den här har den en vertikal axel, men pumphjulet består av en serie justerbara blad. Det har högtrycksreaktion och fungerar helt nedsänkt i vatten.

Kaplan-turbinen används i vattenfall från 5 till 20 meter höga och dess effektivitet kan nå upp till 95%.

Generator

Generatorn är en anordning som har förmågan att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi genom elektromagnetisk induktion. Således roteras magnetiska poler (induktor) inuti en spole med alternerande poler av ledande material (till exempel koppar lindad i mjukt järn).

Dess funktion baseras på det faktum att en ledare som under en viss tid utsätts för ett variabelt magnetfält genererar en elektrisk spänning.

Fördel

Hydraulkraft används ofta eftersom den har många positiva aspekter. Bland dessa kan vi lyfta fram:

Det är ekonomiskt

Även om den ursprungliga investeringen är hög i vattenkraftverk är det i allmänhet på lång sikt billig energi. Detta beror på dess stabilitet och låga underhållskostnad..

Dessutom bör den ekonomiska ersättningen från reservoarer med möjligheter till vattenbruk, vattensport och turism läggas till..

Det är förnybart

Baserat på vattencykeln är det en förnybar och kontinuerlig energikälla. Detta innebär att den inte tappas i tid till skillnad från energin från fossila bränslen..

Kontinuiteten beror dock på att vattencykeln inte ändras i en viss region eller globalt..

Hög prestanda

Hydraulisk energi anses vara mycket effektiv och med en hög prestanda som ligger mellan 90 och 95%.

Det är inte förorenande

Denna typ av energi använder en naturlig källa som vatten och producerar inte heller avfall eller förorenande gaser. Därför är dess påverkan på miljön låg och den anses vara en form av ren energi..

Förekomst av reservoarer

I de fall då reservoarer byggs för användning av vattenkraft, utgör dessa en rad ytterligare fördelar:

- De gör det möjligt att reglera flodens flöde och undvika översvämningar.
- De utgör en behållare med vatten för konsumtion, bevattning och industriellt bruk..
- De kan användas som rekreationsområden och för att utöva vattensporter.

Nackdelar

Beroende på nederbörd

En begränsning av vattenkraftproduktionen är dess beroende av regnregimen. Därför kan vattentillförseln drastiskt minska under särskilt torra år och reservoarnivån sänks..

När vattenflödet minskar är produktionen av elektrisk energi lägre. På ett sådant sätt att det kan uppstå problem i regioner som är mycket beroende av vattenkraftförsörjning..

Förändring av flodens naturliga gång

Konstruktionen av en fördämning i en flod förändrar dess naturliga förlopp, dess översvämningsregim, minskar (minskar flödet) och sedimentprocessen. Därför inträffar förändringar i biologin hos växter och djur som är akvatiska eller ligger i närheten av vattendraget..

Å andra sidan förändrar bibehållandet av sediment i dammen bildandet av deltor vid flodens mynning och förändrar markförhållandena..

Risk för dammbrott

På grund av den stora mängden vatten som lagras i vissa vattenkraftsdammar kan brott mot stödväggen eller närliggande sluttningar orsaka allvarliga olyckor. Till exempel inträffade Vajont-dammens sluttning (nu i nedlagd) 1963 och orsakade 2000 dödsfall..

Applikationer

Pariserhjul och vattenpumpar

Rotationen av ett hjul som drivs av vattens kinetiska energi gör att vatten kan dras från en grund brunn eller kanal till en upphöjd kanal eller behållare. På samma sätt kan den mekaniska energi som genereras av hjulet driva en hydraulisk pump..

Den enklaste modellen består av ett hjul med blad med skålar som samlar upp vattnet samtidigt som de drivs av strömmen. Sedan, i sin rotation, släpper de vattnet i en tank eller kanal..

Kvarnar

I mer än 2000 år använde grekerna och romarna hydraulisk energi för att flytta kvarnar för att mala spannmål. Vridningen av hjulet som drivs av vattenströmmen aktiverar växlar som vrider kvarnen.

Smider

En annan gammal tillämpning av hydraulisk kraftbaserad bearbetbarhet är dess användning för att aktivera smidesbälgen i smides- och metallurgiarbete..

Hydraulisk fraktur

Vid gruvdrift och olja används vattens kinetiska energi för att erodera berg, bryta det och underlätta utvinning av olika mineraler. För detta används gigantiska tryckvattenkanoner som träffar underlaget tills det eroderar..

Detta är en destruktiv teknik för jorden och mycket förorenande av vattendrag..

Fracking

En mycket kontroversiell teknik som får fart i oljeindustrin är fracking. Den består av att öka porositeten hos berggrunden som innehåller olja och gas för att underlätta dess borttagning..

Detta uppnås genom att injicera stora mängder vatten och sand vid höga tryck tillsammans med en serie kemiska tillsatser. Tekniken har ifrågasatts på grund av dess höga vattenförbrukning, förorenar jord och vatten och orsakar geologiska förändringar..

Vattenkraftverk

Den vanligaste moderna användningen är att driva elkraftverk, så kallade vattenkraftverk eller hydrauliska anläggningar.

Exempel på vattenkraftverk

De tre ravinerna

Three Gorges Dam (Kina). Källa: Le Grand Portage Derivat arbete: Rehman [CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)]

Three Gorges vattenkraftverk ligger i Kinas Hubei-provins vid Yangtze-floden. Byggandet av denna damm började 1994 och slutfördes 2010 och nådde ett översvämt område på 1 045 km² och en installerad kapacitet på 22 500 MW (megawatt)..

Anläggningen omfattar 34 Francis-turbiner (32 700 MW och två 50 MW) med en årlig produktion av elektrisk energi på 80,8 GWh. Det är den största vattenkraftverket i världen när det gäller struktur och installerad kraft.

Three Gorges Dam har lyckats kontrollera den periodiska översvämningen av floden som kom att orsaka allvarlig skada på befolkningen. På samma sätt garanterar den elförsörjningen i regionen.

Emellertid hade dess konstruktion några negativa konsekvenser, såsom förflyttningen av cirka 2 miljoner människor. Dessutom bidrog det till utrotningen av den kritiskt hotade kinesiska floddelfinen (Lipotes vexillifer)..

Itaipu


Itaipu-dammen. Källa: Herr stahlhoefer [Public domain]

Vattenkraftverket Itaipú ligger vid gränsen mellan Brasilien och Paraguay vid floden Paraná. Byggandet började 1970 och slutade i tre etapper 1984, 1991 och 2003..

Dammens översvämmade område är 1 350 km² och har en installerad kapacitet på 14 000 MW. Anläggningen omfattar 20 Francis-turbiner på vardera 700 MW och har en årlig produktion av elektrisk energi på 94,7 GWh.

Itaipu anses vara den största vattenkraftverket i världen när det gäller energiproduktion. Det bidrar med 16% av den förbrukade elektriska energin i Brasilien och 76% i Paraguay..

Beträffande dess negativa påverkan påverkade denna damm öarnas ekologi och floden Paraná..

Simon Bolivar (Guri)

Simón Bolívar vattenkraftverk (Gurí, Venezuela). Källa: Warairarepano & Guaicaipuro [CC0]

Simón Bolívar vattenkraftverk, även känd som Guri-dammen, ligger i Venezuela vid floden Caroní. Byggandet av dammen började 1957, en första etapp slutfördes 1978 och slutfördes 1986.

Guri-dammen har ett översvämmat område på 4 250 km² och en installerad kapacitet på 10 200 MW. Anläggningen omfattar 21 Francis-turbiner (10 av 730 MW, 4 av 180 MW, 3 av 400 MW, 3 av 225 MW och en av 340 MW)

Den årliga produktionen är 46 GWh och anses vara den tredje största vattenkraftverket i världen när det gäller struktur och installerad kraft. Vattenkraftverket tillhandahåller 80% av den elektriska energi som Venezuela förbrukar och en del säljs till Brasilien.

Under byggandet av denna vattenkraftverk översvämmades stora områden av ekosystem i Venezuelas Guyana, en region med hög biologisk mångfald..

På grund av den djupa ekonomiska krisen i Venezuela har idag anläggningens produktionskapacitet minskat avsevärt..

Referenser

1. - Hadzich M (2013). Hydraulisk energi, kapitel 7. PUCP Groups tekniska utbildningskurs. Teknik för ekologiska hus och hotell. Påvliga katolska universitetet i Peru.
2. - Raabe J (1985). Vattenkraft. Utformningen, användningen och funktionen av hydromekanisk, hydraulisk och elektrisk utrustning. Tyskland: N. s.
3. - Sandoval Erazo, Washington. (2018). Kapitel 6: Grundläggande begrepp för vattenkraftverk. Https://www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4. - Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath DG, Dias LCP, Rodrigues HO och Soares-Filho BS (2013). Beroendet av vattenkraftenergiproduktion på skogar i Amazonasbassängen i lokala och regionala skalor. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601-9606.
5.- Soria E (s / f). Hydraulik. Förnybar energi för alla. IBERDROLA. 19 s.


Ingen har kommenterat den här artikeln än.