HYDRAULINEN TEHO: OMINAISUUDET, MITEN SE TOIMII, EDUT, KÄYTTÖ - YMPÄRISTÖ - 2025

Hydraulinen voima on kyky ja veden tuottaa työtä muodossa liikkeen, valon ja lämmön perustuu niiden mahdollisiin ja liike-energia. Sitä pidetään myös puhtaana, tehokkaana uusiutuvana energiana.

Tämän energian määrää virtaus, veden liikkumispisteiden välinen epätasaisuus maassa ja painovoima. Ihmiset ovat käyttäneet sitä muinaisista ajoista lähtien suorittamaan erilaisia ​​töitä.

Itaipú-pato (Brasilia ja Paraguay). Lähde: Angelo Leithold

Yksi ensimmäisistä hydraulisen energian käyttökohteista oli vesimyllyjen voimankäyttö, jotka käyttivät virran voimaa. Tällä tavalla myllykiviä voitiin siirtää hammaspyörien avulla vehnän kukistamiseen.

Tällä hetkellä sen merkityksellisin sovellus on sähköenergian tuottaminen hydraulisten voimalaitosten tai vesivoimalaitosten kautta. Nämä laitokset koostuvat pääosin padosta sekä turbiinien ja vaihtovirtalaitteiden järjestelmästä.

Vesi kerääntyy patoon kanavan kahden tason välillä (geodeettinen epätasaisuus) tuottaen potentiaalista potentiaalienergiaa. Myöhemmin veden virta (kineettinen energia) aktivoi turbiinit, jotka välittävät energian vaihtovirtalaitteisiin tuottamaan sähköenergiaa.

Hydraulisen energian etuna on, että se on uusiutuva ja saastuttamaton, toisin kuin muut energialähteet. Toisaalta se on erittäin tehokas saannon ollessa 90 - 95%.

Vesivoimalaitosten ympäristövaikutukset liittyvät lämpötilan vaihteluun ja vesistön fysikaalisiin muutoksiin. Samoin syntyy jäteöljyjä ja rasvoja, jotka suodatetaan koneesta.

Sen suurin haitta on fysikaalinen muutos, jonka se aiheuttaa suurten alueiden tulvien vuoksi, ja jokien luonnollinen virtaus ja kulku muuttuvat.

Maailman suurin vesivoimala on Kolme rotkoa, joka sijaitsee Kiinassa Jangtse-joen varrella. Kaksi muuta merkitystä ovat Brasilian ja Paraguayn välisellä rajalla sijaitseva Itaipú ja Venezuelassa sijaitseva Simón Bolívar tai Guri -voimalaitos.

ominaisuudet

Hydraulisen energian lähde on vesi ja sitä pidetään uusiutuvana energiona niin kauan kuin veden kierto ei muutu. Samoin se voi tuottaa työtä tuottamatta kiinteää jätettä tai saastuttavia kaasuja, ja siksi sitä pidetään puhtaana energiana.

esitys

Energiatehokkuudella tarkoitetaan prosessissa tuotetun energian määrän ja siihen investoimiseksi tarvittavan energian välistä suhdetta. Hydraulisen energian tapauksessa saavutetaan suorituskyky välillä 90 - 95% veden nopeudesta ja käytetystä turbiinijärjestelmästä riippuen.

Kuinka vesivoima toimii?

Vesivoimalaitoksen kaavio. Lähde: Käyttäjä: Tomia

Aurinkoenergian muuttuminen kineettiseksi energiaksi

Hydraulisen energian perusta on aurinkoenergiassa, maan topografiassa ja maan painovoimassa. Vesikierrossa aurinkoenergia aiheuttaa haihtumista ja sitten vesi kondensoituu ja saostuu maan päällä.

Epätasaisen maan ja painovoiman seurauksena maanpinnalla tapahtuu pintavesivirtauksia. Tällä tavalla aurinkoenergia muuttuu kineettiseksi energiaksi veden liikkumisen seurauksena epätasaisuuden ja painovoiman yhteisvaikutuksella.

Myöhemmin veden kineettinen energia voidaan muuntaa mekaaniseksi energiaksi, joka kykenee työskentelemään. Esimerkiksi terät voidaan siirtää, jotka siirtävät liikkeen vaihdejärjestelmään, joka voi käyttää erilaisia ​​laitteita.

Hydraulisen energian suuruus annetaan joenpohjan kahden annetun pisteen ja sen virtauksen välisestä epätasaisuudesta. Mitä suurempi on maan epätasaisuus, sitä suurempi on veden potentiaali ja kineettinen energia sekä sen kyky tuottaa työtä.

Tässä mielessä potentiaalienergia on energiaa, joka kertyy vesistöyn ja on suhteessa sen korkeuteen suhteessa maahan. Toisaalta, kineettinen energia on sitä, mitä vesi vapauttaa laskeutuessa liikkeessään topografian ja painovoiman funktiona.

Sähkön tuotanto vesivoimalla (vesivoima)

Putoavan veden tuottamaa kineettistä energiaa voidaan käyttää tuottamaan sähköenergiaa. Tämä saavutetaan rakentamalla patoja, joihin vesi kertyy ja jota pidetään eri korkeustasoilla.

Siten veden potentiaalienergia on suoraan verrannollinen yhden ja toisen pisteen väliseen eroeroon ja veden laskiessa se muuttuu kineettiseksi energiaksi. Seuraavaksi vesi kulkee pyörivien siipien järjestelmän läpi ja tuottaa pyörivää kineettistä energiaa.

Pyörimisliike mahdollistaa liikkuvat vaihdejärjestelmät, jotka voivat aktivoida mekaanisia järjestelmiä, kuten myllyt, pyörät tai vaihtovirtalaturit. Erityisesti vesivoiman tuotannon tapauksessa järjestelmä vaatii turbiinijärjestelmän ja laturin sähkön tuottamiseksi.

turbiinit

Turbiini koostuu vaaka- tai pystyakselista, jossa on siipijärjestelmä, joka pyörittää akselia veden voimalla.

Hydraulisia turbiineja on kolme perustyyppiä:

Pelton-turbiini

Pelton-turbiini. Lähde: Robertk9410

Se on vaaka-akselilla varustettu korkeapaineimpulssiturbiini, joka toimii ilman, että se on täysin upotettu. Juoksupyörässä on sarja koveraia siipiä (siipiä tai hampaita), joita vetosuihkut ajavat.

Mitä enemmän vesisuihkuja törmää turbiiniin, sitä enemmän energiaa se tuottaa. Tämän tyyppistä turbiinia käytetään 25-200 metrin korkeisiin vesiputouksiin, ja sen hyötysuhde on jopa 90%.

Francis turbiini

Francis turbiini. Lähde: Alkuperäinen lähettäjä oli Stahlkocher saksalaisessa Wikipediassa.

Se on keskipaineinen turbiini, jolla on pystyakseli ja toimii täysin veden alla. Juoksupyörä koostuu siipistä, joita vettä johtaa jakelulaitteen läpi johdettu vesi.

Sitä voidaan käyttää 20-200 metrin korkeudella vesiputouksilla, ja sen hyötysuhde on 90%. Tämä on turbiinityyppi, jota käytetään yleisimmin suurissa vesivoimalaitoksissa maailmassa.

Kaplan-turbiini

Kaplan-turbiini. Lähde: TheRunnerUp

Se on variantti Francis-turbiinista, ja sillä on samalla tavoin pystyakseli, mutta juoksupyörä koostuu sarjasta ohjattavia siipiä. Se on korkeapainereaktio ja toimii täysin veden alla.

Kaplan-turbiinia käytetään vesiputouksissa, joiden korkeus on 5 - 20 metriä, ja sen hyötysuhde voi olla jopa 95%.

vaihtovirtageneraattori

Laturi on laite, jolla on kyky muuttaa mekaaninen energia sähköenergiaksi sähkömagneettisen induktion avulla. Siten magneettisia napoja (induktori) pyöritetään kelassa, jossa on vuorottelevia johtavan materiaalin napoja (esimerkiksi kuparin haava pehmeässä raudassa).

Sen toiminta perustuu siihen tosiseikkaan, että johdin, joka alistetaan tietyn ajan muuttuvalle magneettikentälle, tuottaa sähköjännitteen.

Etu

Hydraulista voimaa käytetään laajasti, koska sillä on monia positiivisia puolia. Näistä voidaan korostaa:

Se on taloudellista

Vaikka vesivoimalaitosten tapauksessa alkuperäinen investointi on suuri, pitkällä aikavälillä se on yleensä halpaa energiaa. Tämä johtuu sen vakaudesta ja alhaisista ylläpitokustannuksista.

Lisäksi on lisättävä vesiviljelyä, vesiurheilua ja matkailua tarjoavien säiliöiden tarjoama taloudellinen korvaus.

Se on uusiutuva

Koska se perustuu veden kiertoon, se on uusiutuva ja jatkuva energialähde. Tämä tarkoittaa, että se ei lopu ajoissa toisin kuin fossiilisista polttoaineista peräisin oleva energia.

Sen jatkuvuus riippuu kuitenkin siitä, että vesisykliä ei muuteta tietyllä alueella tai maailmanlaajuisesti.

Korkea suorituskyky

Hydraulista energiaa pidetään erittäin tehokkaana ja korkealla suorituskyvyllä, joka on välillä 90 - 95%.

Se ei ole saastuttava

Tämän tyyppinen energia käyttää luonnollista lähdettä, kuten vettä, eikä se myöskään tuota jätettä tai saastuttavia kaasuja. Siksi sen vaikutukset ympäristöön ovat vähäiset ja sitä pidetään puhtaan energian muotona.

Säiliöiden läsnäolo

Niissä tapauksissa, joissa vesisähkön käyttöä varten rakennetaan säiliöitä, ne tarjoavat joukon lisäetuja:

- Niiden avulla voidaan säädellä joen virtausta ja välttää tulvat.

- Ne edustavat vesisäiliötä ihmisten kulutukseen, kasteluun ja teollisuuskäyttöön.

- Niitä voidaan käyttää virkistysalueina ja vesiurheilun harjoitteluun.

haitat

Riippuvuus sateista

Vesivoiman tuotannon rajoitus on sen riippuvuus sadejärjestelmästä. Siksi erityisen kuivina vuosina veden saanti voi laskea dramaattisesti ja säiliön taso laskee.

Kun veden virtaus vähenee, sähköenergian tuotanto on alhaisempaa. Sillä tavalla, että vesivoimanlähteistä erittäin riippuvaisilla alueilla voi esiintyä ongelmia.

Jokin luonnollisen kulun muutos

Padon rakentaminen jokeen muuttaa sen luonnollista kulkua, tulva-ajatusta, laskua (virtauksen lasku) ja sedimenttien vetämisprosessia. Siksi kasvien ja eläinten biologiassa tapahtuu muutoksia, jotka ovat vesieläimiä tai sijaitsevat vesimuodostuman läheisyydessä.

Toisaalta sedimenttien pidättyminen padossa muuttaa suistumisten muodostumista jokien suulla ja muuttaa maaperän olosuhteita.

Patojen murtumisvaara

Joihinkin vesivoimapatoihin varastoidun suuren vesimäärän vuoksi tukiseinän tai lähellä olevien rinteiden rikkominen voi aiheuttaa vakavia onnettomuuksia. Esimerkiksi vuonna 1963 Vajontin padon (nyt käytöstä poistettu) rinteessä Italiassa tapahtui 2000 kuolemaa.

Sovellukset

Maailmanpyörät ja vesipumput

Veden kineettisen energian ohjaaman pyörän pyöriminen sallii veden vetämisen matalasta kaivosta tai kanavasta kohotettuun kanavaan tai säiliöön. Samoin pyörän tuottama mekaaninen energia voi ajaa hydraulipumppua.

Yksinkertaisin malli koostuu pyörästä, jonka siipillä on kulhoja, jotka keräävät vettä samaan aikaan kuin ne ajavat virran avulla. Sitten he pudottavat vettä kiertoon säiliöön tai kanavaan.

Mills

Kreikkalaiset ja roomalaiset käyttivät yli 2000 vuotta hydraulista energiaa siirtääkseen myllyjä viljan jauhamiseen. Vesivirran ajaman pyörän kehruu aktivoi hammaspyörää kääntävät hammaspyörät.

Forges

Toinen muinainen hydrauliikkaan perustuvan työstettävyyden sovellus on sen käyttö taontapaljeiden aktivoimiseksi seppä- ja metallurgiatyössä.

Hydraulinen murtuma

Kaivostoiminnassa ja öljyssä veden kineettistä energiaa käytetään kivien purkamiseen, murtumiseen ja eri mineraalien uuttamisen helpottamiseen. Tätä varten käytetään jättimäisiä paineistettuja vesitykkejä, jotka osuvat substraattiin, kunnes se erodeoi sen.

Tämä on tuhoava tekniikka maaperään ja saastuttaa vesiväylät erittäin paljon.

Fracking

Hyvin kiistanalainen tekniikka, joka on saamassa vauhtia öljyteollisuudessa, on murtuminen. Se koostuu öljyä ja kaasua sisältävän kallioperän huokoisuuden lisäämisestä sen poistamisen helpottamiseksi.

Tämä saavutetaan injektoimalla suuria määriä vettä ja hiekkaa korkeissa paineissa yhdessä sarjan kemiallisia lisäaineita. Tekniikan on kyseenalaistettu sen suuren vedenkulutuksen, saastuttavien maaperien ja vesien vuoksi ja aiheuttaen geologisia muutoksia.

Vesivoimalaitokset

Yleisin nykyaikainen käyttö on käyttää sähköntuotantolaitoksia, ns. Vesivoimalaitoksia tai vesivoimalaitoksia.

Esimerkkejä vesivoimalaitoksista

Kolme rotkoa

Kolmen rotkon pato (Kiina). Lähde: Le Grand Portage Johdannaisteos: Rehman

Kolmen rotkon vesivoimalaitos sijaitsee Kiinan Hubein maakunnassa Jangtse-joen varrella. Tämän padon rakentaminen aloitettiin vuonna 1994 ja saatiin päätökseen vuonna 2010, ja sen tulva-alue oli 1 045 km² ja asennettu kapasiteetti 22 500 MW (megawattia).

Laitos sisältää 34 Francis-turbiinia (32 700 MW: sta ja kaksi 50 MW: sta), joiden vuotuinen sähköenergian tuotanto on 80,8 GWh. Se on rakenteen ja asennetun tehon suhteen maailman suurin vesivoimala.

Kolmen rotkon pato on onnistunut hallitsemaan joen toistuvat tulvat, jotka ovat aiheuttaneet vakavia vahinkoja väestölle. Se takaa myös alueen sähkönjakelun.

Sen rakentamisella oli kuitenkin joitain kielteisiä seurauksia, kuten noin 2 miljoonan ihmisen siirtäminen. Lisäksi se vaikutti kriittisesti uhanalaisen kiinalaisen joen delfiinin (Lipotes vexillifer) sukupuuttoon.

Itaipu

Itaipu-pato. Lähde: Herr stahlhoefer

Itaipú-vesivoimalaitos sijaitsee Brasilian ja Paraguayn välisellä rajalla Paraná-joen varrella. Sen rakentaminen alkoi vuonna 1970 ja päättyi kolmeen vaiheeseen vuosina 1984, 1991 ja 2003.

Padon tulva-alue on 1 350 km², ja sen asennettu teho on 14 000 MW. Laitos sisältää 20 Francis-turbiinia, joiden molemmat ovat 700 MW, ja sen vuotuinen sähköenergian tuotanto on 94,7 GWh.

Itaipua pidetään energiantuotannossa maailman suurimpana vesivoimalaitoksena. Sen osuus energiankulutuksesta on Brasiliassa 16% ja Paraguayssa 76%.

Vaikutuksen kielteisten vaikutusten suhteen tämä pato vaikutti saarten ekologisuuteen ja Paraná-joen suistoalueeseen.

Simon Bolivar (Guri)

Simón Bolívarin vesivoimala (Gurí, Venezuela). Lähde: Warairarepano & Guaicaipuro

Simón Bolívarin vesivoimala, joka tunnetaan myös nimellä Guri pado, sijaitsee Venezuelassa Caroní-joen varrella. Padon rakentaminen aloitettiin vuonna 1957, ensimmäinen vaihe valmistui vuonna 1978 ja valmistui vuonna 1986.

Gurin padon tulva-alue on 4 250 km² ja asennettu kapasiteetti 10 200 MW. Sen laitos sisältää 21 Francis-turbiinia (10 730 MW: sta, 4 180 MW: sta, 3 400 MW: sta, 3 225 MW: sta ja yksi 340 MW: sta).

Vuotuinen tuotanto on 46 GWh, ja sitä pidetään rakenteen ja asennetun tehon perusteella maailman kolmanneksi suurimpana vesivoimalaitoksena. Vesivoimalaitos tuottaa 80% Venezuelan kuluttamasta sähköenergiasta ja osa siitä myydään Brasiliaan.

Tämän vesivoimalan rakentamisen aikana suuret ekosysteemialueet tulvivat Venezuelan Guyanasta, alueelta, jolla on suuri biologinen monimuotoisuus.

Nykyään Venezuelan syvän talouskriisin vuoksi tämän laitoksen tuotantokapasiteetti on vähentynyt huomattavasti.

Viitteet

1.- Hadzich M (2013). Hydraulinen energia, luku 7. PUCP-ryhmän tekninen koulutus. Ekologisten talojen ja hotellien tekniikat. Perun paavalinen katolinen yliopisto.

2.- Raabe J (1985). Vesivoima. Hydromekaanisten, hydraulisten ja sähkölaitteiden suunnittelu, käyttö ja toiminta. Saksa: N. p.

3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Luku 6: peruskäsitteet Vesivoiman Plants.https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas

4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath PO, Dias HO ja Rodrigues BS-Soares-BS LCP, Rodrigues-Soares-BS LCP (2013). Vesivoiman energiantuotannon riippuvuus Amazonin alueen metsistä paikallisella ja alueellisella tasolla. Kansallisen tiedeakatemian julkaisut, 110 (23), 9601–9606.

5.- Soria E (s / f). Hydrauliikka. Uusiutuvat energialähteet kaikille. IBERDROLA. 19 s.