ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2026

Гидроэнергия является способность из воды , чтобы произвести работы в в виде движения, света и тепла в зависимости от их потенциальной и кинетической энергии. Он также считается экологически чистым, высокоэффективным возобновляемым источником энергии.

Эта энергия определяется потоком, неровностями между точками на земле, через которые движется вода, и силой тяжести. С древних времен он использовался людьми для выполнения различных работ.

Дамба Итайпу (Бразилия и Парагвай). Источник: Анджело Лейтольд

Одним из первых применений гидравлической энергии было приведение в действие водяных мельниц, в которых использовалась сила тока. Таким образом, с помощью шестерен можно было перемещать жернова для обмолота пшеницы.

В настоящее время наиболее актуальным его применением является производство электроэнергии с помощью гидроэлектростанций или гидроэлектростанций. Эти установки в основном состоят из плотины и системы турбин и генераторов переменного тока.

Вода накапливается в плотине между двумя уровнями канала (геодезическая неровность), генерируя потенциальную гравитационную энергию. Впоследствии ток воды (кинетическая энергия) активирует турбины, которые передают энергию генераторам переменного тока для производства электроэнергии.

Одним из преимуществ гидравлической энергии является то, что она является возобновляемой и экологически чистой, в отличие от других источников энергии. С другой стороны, он очень эффективен с доходностью от 90 до 95%.

Воздействие гидроэлектростанций на окружающую среду связано с изменением температуры и физическим изменением водотока. Аналогичным образом производятся отработанные масла и жиры, которые фильтруются из оборудования.

Его основным недостатком является физическое изменение, которое оно вызывает из-за затопления больших участков земли и изменения естественного течения и русла рек.

Самая крупная гидроэлектростанция в мире - «Три ущелья», расположенная в Китае, на реке Янцзы. Два других по важности - это Итайпу на границе между Бразилией и Парагваем и гидроэлектростанция Симон Боливар или Гури в Венесуэле.

характеристики

Источником гидравлической энергии является вода, и она считается возобновляемой энергией до тех пор, пока круговорот воды не изменяется. Точно так же он может производить работу без образования твердых отходов или загрязняющих газов, и поэтому считается экологически чистой энергией.

производительность

Энергоэффективность относится к соотношению между количеством энергии, полученной в процессе, и энергией, которая была необходима для инвестирования в него. В случае использования гидравлической энергии производительность от 90 до 95% достигается в зависимости от скорости воды и используемой турбинной системы.

Как работает гидроэнергетика?

Схема гидроэлектростанции. Источник: Пользователь: Tomia

Преобразование солнечной энергии в кинетическую энергию

Основа гидравлической энергии - это солнечная энергия, рельеф местности и земная гравитация. В круговороте воды солнечная энергия вызывает испарение, а затем вода конденсируется и осаждается на Земле.

В результате неровностей грунта и силы тяжести на поверхности земли возникают поверхностные водные течения. Таким образом, солнечная энергия преобразуется в кинетическую энергию за счет движения воды за счет комбинированного действия неравномерности и силы тяжести.

Позже кинетическая энергия воды может быть преобразована в механическую энергию, способную совершать работу. Например, можно перемещать лопасти, которые передают движение системе передач, которая может управлять различными устройствами.

Величина гидравлической энергии определяется неравномерностью между двумя заданными точками русла реки и ее течения. Чем больше неровность земли, тем больше потенциальная и кинетическая энергия воды, а также ее способность производить работу.

В этом смысле потенциальная энергия - это энергия, которая накапливается в водоеме и связана с его высотой относительно земли. С другой стороны, кинетическая энергия - это энергия, которую вода выделяет при падении в зависимости от топографии и силы тяжести.

Производство электроэнергии из гидроэнергетики (гидроэлектростанции)

Кинетическая энергия, генерируемая падающей водой, может использоваться для производства электроэнергии. Это достигается за счет строительства плотин, где вода накапливается и удерживается на разной высоте.

Таким образом, потенциальная энергия воды прямо пропорциональна разнице уровней между одной точкой и другой, и когда вода падает, она преобразуется в кинетическую энергию. Затем вода проходит через систему вращающихся лопастей и генерирует кинетическую энергию вращения.

Вращательное движение позволяет перемещать зубчатые передачи, которые могут активировать механические системы, такие как мельницы, колеса или генераторы переменного тока. В частном случае производства электроэнергии на гидроэлектростанциях система требует турбинной системы и генератора переменного тока для выработки электроэнергии.

Турбины

Турбина состоит из горизонтальной или вертикальной оси с системой лопастей, которые вращают ось под действием воды.

Есть три основных типа гидротурбин:

Турбина Пелтона

Турбина Пелтона. Источник: Robertk9410

Это импульсная турбина высокого давления с горизонтальной осью, работающая без полного погружения. Рабочее колесо имеет ряд вогнутых лопастей (лопастей или зубьев), которые приводятся в движение струями воды.

Чем больше струй воды попадает в турбину, тем больше энергии она вырабатывает. Этот тип турбины используется для водопадов высотой от 25 до 200 метров и достигает КПД до 90%.

Турбина Фрэнсиса

Турбина Фрэнсиса. Источник: Первоначально загрузил файл Stahlkocher из немецкой Википедии.

Это реакционная турбина среднего давления с вертикальной осью, полностью погруженная в воду. Рабочее колесо состоит из лопастей, которые приводятся в движение водой, проходящей через распределитель.

Его можно использовать в водопадах высотой от 20 до 200 метров, а эффективность достигает 90%. Этот тип турбины наиболее часто используется на крупных гидроэлектростанциях в мире.

Турбина каплана

Турбина Каплана. Источник: TheRunnerUp

Это вариант турбины Фрэнсиса и, как и у нее, имеет вертикальную ось, но крыльчатка состоит из серии управляемых лопастей. Он имеет реакцию под высоким давлением и работает полностью погруженный в воду.

Турбина Каплана используется в водопадах высотой от 5 до 20 метров, а ее КПД может достигать 95%.

генератор переменного тока

Генератор переменного тока - это устройство, способное преобразовывать механическую энергию в электрическую посредством электромагнитной индукции. Таким образом, магнитные полюса (индуктор) вращаются внутри катушки с чередующимися полюсами из проводящего материала (например, медь, намотанная на мягкое железо).

Его работа основана на том, что проводник, находящийся в течение определенного времени в переменном магнитном поле, генерирует электрическое напряжение.

преимущество

Гидравлическая энергия широко используется, поскольку имеет множество положительных сторон. Среди них можно выделить:

Это экономично

Хотя в случае гидроэлектростанций начальные инвестиции высоки, в целом в долгосрочной перспективе это дешевая энергия. Это связано с его стабильностью и низкой стоимостью обслуживания.

Кроме того, необходимо добавить экономическую компенсацию, предоставляемую водохранилищами с возможностями для аквакультуры, водных видов спорта и туризма.

Это возобновляемый

Поскольку он основан на круговороте воды, это возобновляемый и непрерывный источник энергии. Это означает, что она не исчерпывается во времени, в отличие от энергии от ископаемого топлива.

Однако его непрерывность зависит от того, не изменяется ли водный цикл в данном регионе или во всем мире.

Высокая производительность

Гидравлическая энергия считается очень эффективной с высокой производительностью от 90 до 95%.

Не загрязняет окружающую среду

Этот тип энергии использует природный источник, такой как вода, а также не производит отходов или загрязняющих газов. Следовательно, его воздействие на окружающую среду невелико, и он считается формой чистой энергии.

Наличие водоемов

В тех случаях, когда водохранилища построены для использования гидроэлектроэнергии, они предоставляют ряд дополнительных преимуществ:

- Они позволяют регулировать течение реки и избегать наводнений.
- Они представляют собой резервуар воды для потребления человеком, орошения и промышленного использования.
- Их можно использовать как зоны отдыха и для занятий водными видами спорта.

Недостатки

Зависимость от осадков

Ограничением производства гидроэлектроэнергии является ее зависимость от режима осадков. Поэтому в особо засушливые годы может резко снизиться подача воды и понизится уровень водохранилища.

Когда поток воды уменьшается, выработка электроэнергии снижается. Таким образом, в регионах, которые сильно зависят от гидроэнергетики, могут возникнуть проблемы.

Изменение естественного течения реки

Строительство плотины на реке изменяет ее естественное русло, режим паводков, истощение (уменьшение стока) и процесс уноса наносов. Следовательно, происходят изменения в биологии растений и животных, обитающих в воде или находящихся поблизости от водоема.

С другой стороны, задержка наносов в плотине изменяет формирование дельт в устье рек и изменяет почвенные условия.

Опасность прорыва плотины

Из-за большой объем воды, хранящейся в некоторых гидроэлектростанциях, нарушение подпорной стенки или вблизи склоны может привести к серьезным авариям. Например, в течение 1963 года на склоне дамбы Вайонт (ныне не используемой) в Италии произошло 2 000 смертей.

Приложения

Колеса обозрения и водяные насосы

Вращение колеса, приводимое в движение кинетической энергией воды, позволяет забирать воду из неглубокого колодца или канала в приподнятый канал или резервуар. Точно так же механическая энергия, генерируемая колесом, может приводить в действие гидравлический насос.

Самая простая модель состоит из колеса с лопастями с чашами, которые собирают воду одновременно с течением. Затем, по очереди, они сбрасывают воду в резервуар или канал.

Мельницы

Более 2000 лет греки и римляне использовали гидравлическую энергию для перемещения мельниц для измельчения зерновых. Вращение колеса, приводимого в движение потоком воды, приводит в действие шестерни, вращающие жернов.

кузницы

Еще одно древнее применение работоспособности на основе гидравлической энергии - ее использование для активации кузнечных сильфонов в кузнечных и металлургических работах.

Гидравлический разрыв

В горнодобывающей и нефтяной промышленности кинетическая энергия воды используется для размывания породы, ее разрушения и облегчения добычи различных полезных ископаемых. Для этого используются гигантские водометы под давлением, которые ударяют по субстрату, пока тот не разрушит его.

Это разрушительная техника для почвы и сильное загрязнение водных путей.

Fracking

Фрекинг - это очень спорная технология, которая набирает обороты в нефтяной промышленности. Он заключается в увеличении пористости коренной породы, содержащей нефть и газ, для облегчения ее удаления.

Это достигается путем впрыскивания большого количества воды и песка под высоким давлением вместе с рядом химических добавок. Этот метод был подвергнут сомнению из-за его большого расхода воды, загрязнения почвы и воды и геологических изменений.

Гидроэлектростанции

Наиболее распространенное современное использование - это управление электростанциями, так называемыми гидроэлектростанциями или гидроэлектростанциями.

Примеры гидроэлектростанций

Три ущелья

Плотина Три ущелья (Китай). Источник: Le Grand Portage, производная работа: Рехман

Гидроэлектростанция «Три ущелья» расположена в китайской провинции Хубэй, на берегу реки Янцзы. Строительство этой плотины началось в 1994 году и было завершено в 2010 году, площадь затопления составила 1 045 км², а установленная мощность - 22 500 МВт (мегаватт).

В состав станции входят 34 турбины Фрэнсиса (32 по 700 МВт и две по 50 МВт) с годовой выработкой электроэнергии 80,8 ГВтч. Это крупнейшая гидроэлектростанция в мире по структуре и установленной мощности.

Плотине «Три ущелья» удалось предотвратить периодические наводнения реки, которые нанесли серьезный ущерб населению. Это также гарантирует электроснабжение региона.

Однако его строительство имело некоторые негативные последствия, такие как перемещение около 2 миллионов человек. Кроме того, это способствовало исчезновению находящегося под угрозой исчезновения китайского речного дельфина (Lipotes vexillifer).

Итайпу

Плотина Итайпу. Источник: Герр Штальхёфер

Гидроэлектростанция Итайпу расположена на границе Бразилии и Парагвая, на реке Парана. Его строительство началось в 1970 году и завершилось в три этапа в 1984, 1991 и 2003 годах.

Площадь затопления плотины составляет 1 350 км², установленная мощность - 14 000 МВт. Станция включает 20 турбин Фрэнсиса по 700 МВт каждая и имеет годовую выработку электроэнергии 94,7 ГВтч.

Итайпу считается крупнейшей гидроэлектростанцией в мире по производству энергии. На его долю приходится 16% электроэнергии, потребляемой в Бразилии и 76% в Парагвае.

Что касается отрицательного воздействия, эта плотина повлияла на экологию островов и дельты реки Парана.

Симон Боливар (Гури)

ГЭС Симона Боливара (Гури, Венесуэла). Источник: Warairarepano & Guaicaipuro

Гидроэлектростанция Симон Боливар, также известная как плотина Гури, расположена в Венесуэле, на берегу реки Карони. Строительство плотины началось в 1957 году, первая очередь была завершена в 1978 году и завершена в 1986 году.

Плотина Гури имеет площадь затопления 4 250 км² и установленную мощность 10 200 МВт. Его установка включает 21 турбину Фрэнсиса (10 по 730 МВт, 4 по 180 МВт, 3 по 400 МВт, 3 по 225 МВт и одна по 340 МВт).

Годовая выработка составляет 46 ГВтч, и она считается третьей по величине гидроэлектростанцией в мире по структуре и установленной мощности. Гидроэлектростанция обеспечивает 80% электроэнергии, потребляемой Венесуэлой, и часть ее продается в Бразилию.

Во время строительства этой гидроэлектростанции были затоплены большие площади экосистем в Венесуэльской Гвиане, регионе с высоким биоразнообразием.

Сегодня из-за глубокого экономического кризиса в Венесуэле производственные мощности этого завода значительно сократились.

Ссылки

1.- Хаджич М. (2013). Гидравлическая энергия, Глава 7. Курс технического обучения PUCP Group. Технологии для экологических домов и отелей. Папский католический университет Перу.
2.- Раабе Дж (1985). Гидроэнергетика. Устройство, использование и функционирование гидромеханического, гидравлического и электрического оборудования. Германия: N. p.
3.- Сандовал Эразо, Вашингтон. (2018). Глава 6: Основные концепции гидроэлектростанций. Https://www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas 4. -
Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad BSCP, McGasrath Sorig, D.G. (2013). Зависимость производства гидроэлектроэнергии от лесов в бассейне Амазонки в местном и региональном масштабе. Слушания Национальной академии наук, 110 (23), 9601–9606.
5.- Сория Э. (н / ж). Гидравлика. Возобновляемые источники энергии для всех. IBERDROLA. 19 п.