HIDRAULISKĀ JAUDA: RAKSTURLIELUMI, KĀ TĀ DARBOJAS, PRIEKŠROCĪBAS, LIETOJUMI - VIDE - 2025

Hidrauliskā jauda ir spēja ar ūdeni, lai iegūtu darbu ar formā kustības, gaismas un siltuma, pamatojoties uz to potenciālu un kinētisko enerģiju. To uzskata arī par tīru, augstas veiktspējas atjaunojamo enerģiju.

Šo enerģiju nosaka plūsma, nevienmērīgums starp punktiem uz zemes, caur kuriem ūdens pārvietojas, un gravitācijas spēks. Cilvēki to izmanto kopš seniem laikiem dažādu darbu veikšanai.

Itaipú aizsprosts (Brazīlija un Paragvaja). Avots: Angelo Leithold

Viens no pirmajiem hidrauliskās enerģijas izmantošanas veidiem bija tādu ūdensdzirnavu darbināšana, kuras izmantoja strāvas jaudu. Tādā veidā ar zobratu palīdzību dzirnakmeņus varēja pārvietot kviešu kulšanai.

Pašlaik tās vispiemērotākais pielietojums ir elektroenerģijas ražošana, izmantojot hidrauliskās spēkstacijas vai hidroelektrostacijas. Šie augi galvenokārt sastāv no aizsprosta un turbīnu un ģeneratoru sistēmas.

Ūdens uzkrājas aizsprostā starp diviem kanāla līmeņiem (ģeodēziskais nevienmērīgums), radot gravitācijas potenciāla enerģiju. Pēc tam ūdens strāva (kinētiskā enerģija) aktivizē turbīnas, kas enerģiju nodod ģeneratoriem, lai iegūtu elektrisko enerģiju.

Starp hidrauliskās enerģijas priekšrocībām ir tas, ka atšķirībā no citiem enerģijas avotiem tā ir atjaunojama un nepiesārņo. No otras puses, tas ir ļoti efektīvs ar ražu no 90 līdz 95%.

Hidroelektrostaciju ietekme uz vidi ir saistīta ar temperatūras izmaiņām un ūdensteces fiziskajām izmaiņām. Tāpat tiek ražotas atkritumeļļas un tauki, kas tiek filtrēti no mašīnām.

Tās galvenais trūkums ir fiziskas pārmaiņas, ko tas izraisa lielu zemes platību applūšanas dēļ, kā arī mainīta upju dabiskā plūsma un virziens.

Lielākā hidroelektrostacija pasaulē ir Trīs aizas, kas atrodas Ķīnā, uz Jandzi. Pārējie divi svarīgi ir Itaipú, kas atrodas uz robežas starp Brazīliju un Paragvaju, un Simón Bolívar jeb Guri hidroelektrostacija Venecuēlā.

raksturojums

Hidrauliskās enerģijas avots ir ūdens, un to uzskata par atjaunojamo enerģiju, ja vien ūdens cikls netiek mainīts. Tāpat tas var radīt darbu, neradot cietus atkritumus vai piesārņojošas gāzes, tāpēc to uzskata par tīru enerģiju.

izpildījums

Energoefektivitāte ir attiecība starp procesā iegūtā enerģijas daudzumu un enerģiju, kas bija nepieciešama, lai tajā ieguldītu. Hidrauliskās enerģijas gadījumā ieguvums ir no 90 līdz 95% atkarībā no ūdens ātruma un izmantotās turbīnu sistēmas.

Kā darbojas hidroenerģija?

Hidroelektrostacijas shēma. Avots: Lietotājs: Tomia

Saules enerģijas pārveidošana kinētiskajā enerģijā

Hidrauliskās enerģijas pamatā ir saules enerģija, zemes topogrāfija un zemes gravitācija. Ūdens ciklā saules enerģija izraisa iztvaikošanu, un pēc tam ūdens kondensējas un izgulsnējas uz zemes.

Nevienmērīgas grunts un gravitācijas spēka rezultātā uz zemes virsmas notiek virsūdens straumes. Tādā veidā saules enerģija tiek pārveidota par kinētisko enerģiju ūdens kustības dēļ, apvienojot nevienmērīgumu un smagumu.

Vēlāk ūdens kinētisko enerģiju var pārveidot mehāniskā enerģijā, kas ir spējīga veikt darbu. Piemēram, var pārvietot asmeņus, kas pārvieto kustību uz pārnesumu sistēmu, kas var darbināt dažādas ierīces.

Hidrauliskās enerģijas lielumu norāda nevienmērība starp diviem upes gultnes dotajiem punktiem un tās plūsmu. Jo lielāka ir zemes nevienmērība, jo lielāka ir ūdens potenciālā un kinētiskā enerģija, kā arī tā spēja radīt darbu.

Šajā ziņā potenciālā enerģija ir tā, kas uzkrājas ūdenstilpē un ir saistīta ar tās augstumu attiecībā pret zemi. No otras puses, kinētiskā enerģija ir tā, kuru ūdens izlaiž krītošā kustībā kā topogrāfijas un gravitācijas funkciju.

Elektroenerģijas ražošana no hidroenerģijas (hidroelektrostacijas)

Kinētisko enerģiju, ko rada krītošs ūdens, var izmantot elektriskās enerģijas ražošanai. To panāk, būvējot aizsprostus, kur uzkrājas ūdens un tiek turēts dažādos augstuma līmeņos.

Tādējādi ūdens potenciālā enerģija ir tieši proporcionāla līmeņa starpībai starp vienu punktu un otru, un, kad ūdens nokrīt, tas tiek pārveidots par kinētisko enerģiju. Pēc tam ūdens iet caur rotējošu lāpstiņu sistēmu un rada rotācijas kinētisko enerģiju.

Rotācijas kustība ļauj kustināt pārnesumu sistēmas, kas var aktivizēt mehāniskās sistēmas, piemēram, frēzes, riteņus vai ģeneratorus. Konkrētajā hidroelektriskās enerģijas ražošanas gadījumā elektroenerģijas ražošanai nepieciešama turbīnu sistēma un ģenerators.

Turbīnas

Turbīna sastāv no horizontālas vai vertikālas ass ar lāpstiņu sistēmu, kas asi rotē ar ūdens spēku.

Ir trīs hidraulisko turbīnu galvenie veidi:

Peltona turbīna

Peltona turbīna. Avots: Robertk9410

Tā ir augsta spiediena impulsu turbīna ar horizontālu asi, kas darbojas, pilnībā neagrimstot. Darbratam ir virkne ieliektu asmeņu (asmeņi vai zobi), kurus darbina ūdens strūklas.

Jo vairāk ūdens strūklu sitīsies uz turbīnu, jo vairāk enerģijas tas radīs. Šis turbīnu tips tiek izmantots ūdenskritumiem no 25 līdz 200 metriem un sasniedz efektivitāti līdz 90%.

Franciska turbīna

Franciska turbīna. Avots: sākotnējais augšupielādētājs bija Stahlkocher vācu Vikipēdijā.

Tā ir vidēja spiediena reakcijas turbīna ar vertikālu asi un darbojas pilnībā iegremdēta ūdenī. Lāpstiņriteni veido asmeņi, kurus dzen ūdens, ko ved caur sadalītāju.

To var izmantot ūdenskritumos no 20 līdz 200 metriem un tas sasniedz 90% efektivitāti. Šis ir turbīnu tips, ko pasaulē visbiežāk izmanto lielajās hidroelektrostacijās.

Kaplan turbīna

Kaplan turbīna. Avots: TheRunnerUp

Tas ir Francis turbīnas variants, un tai, tāpat kā tai, ir vertikāla ass, bet lāpstiņriteni veido virkne vadāmu lāpstiņu. Tam ir augsta spiediena reakcija un tas ir pilnībā iegremdēts ūdenī.

Kaplan turbīna tiek izmantota ūdenskritumos no 5 līdz 20 metriem, un tā efektivitāte var sasniegt pat 95%.

Ģenerators

Ģenerators ir ierīce, kas spēj pārveidot mehānisko enerģiju elektriskajā enerģijā, izmantojot elektromagnētisko indukciju. Tādējādi magnētiskie stabi (induktors) tiek pagriezti spolē ar mainīgiem vadoša materiāla poliem (piemēram, vara brūce mīkstā dzelzs).

Tās darbība ir balstīta uz faktu, ka diriģents, kas noteiktu laiku tiek pakļauts mainīgam magnētiskajam laukam, rada elektrisko spriegumu.

Priekšrocība

Hidrauliskā jauda tiek plaši izmantota, jo tai ir daudz pozitīvu aspektu. Starp tiem mēs varam izcelt:

Tas ir ekonomisks

Lai arī hidroelektrostacijās sākotnējie ieguldījumi ir lieli, kopumā ilgtermiņā tā ir lēta enerģija. Tas ir saistīts ar tā stabilitāti un zemām uzturēšanas izmaksām.

Turklāt jāpieskaita ekonomiskā kompensācija, ko nodrošina rezervuāri ar akvakultūras, ūdens sporta un tūrisma iespējām.

Tas ir atjaunojams

Tā kā tā pamatā ir ūdens cikls, tas ir atjaunojams un nepārtraukts enerģijas avots. Tas nozīmē, ka atšķirībā no fosilā kurināmā enerģijas tas neiztērējas.

Tomēr tā nepārtrauktība ir atkarīga no tā, vai ūdens cikls netiek mainīts attiecīgajā reģionā vai visā pasaulē.

Augsta veiktspēja

Hidrauliskā enerģija tiek uzskatīta par ļoti efektīvu un ar augstu veiktspēju, kas ir no 90 līdz 95%.

Tas nepiesārņo

Šāda veida enerģijai tiek izmantots dabisks avots, piemēram, ūdens, un tas arī nerada atkritumus vai piesārņojošas gāzes. Tāpēc tā ietekme uz vidi ir maza, un to uzskata par tīras enerģijas veidu.

Rezervuāru klātbūtne

Gadījumos, kad tiek būvēti rezervuāri hidroenerģijas izmantošanai, tie rada virkni papildu priekšrocību:

- Tie ļauj regulēt upes plūsmu un izvairīties no plūdiem.
- Tie ir ūdens rezervuārs cilvēku patēriņam, apūdeņošanai un rūpnieciskai izmantošanai.
- Tos var izmantot kā atpūtas zonas un nodarboties ar ūdens sportu.

Trūkumi

Atkarība no nokrišņiem

Hidroelektriskās enerģijas ražošanas ierobežojums ir tās atkarība no nokrišņu režīma. Tāpēc īpaši sausos gados ūdens padeve var krasi samazināties un rezervuāra līmenis ir pazemināts.

Samazinot ūdens plūsmu, elektriskās enerģijas ražošana ir mazāka. Tādā veidā, ka reģionos, kas ir ļoti atkarīgi no hidroelektriskās enerģijas piegādes, var rasties problēmas.

Upes dabiskā virziena maiņa

Dambja izbūve upē maina tās dabisko gaitu, plūdu režīmu, sarūk (plūsmas samazināšanās) un nogulumu vilkšanas procesu. Tāpēc pārmaiņas notiek ūdens augu un dzīvnieku bioloģijā vai atrodas ūdenstilpes tuvumā.

No otras puses, nogulumu saglabāšanās aizsprostā maina deltas veidošanos upju grīvā un maina augsnes apstākļus.

Dambju pārrāvuma briesmas

Tā kā dažos hidroelektriskos aizsprostos tiek uzkrāts liels ūdens daudzums, atbalsta sienas vai tuvējo nogāžu pārkāpums var izraisīt nopietnus negadījumus. Piemēram, 1963. gadā Vajontas aizsprosta (tagad vairs nedarbojas) slīpums Itālijā izraisīja 2000 nāves gadījumus.

Lietojumprogrammas

Ferra diski un ūdens sūkņi

Riteņa rotācija, ko darbina ūdens kinētiskā enerģija, ļauj ūdeni no sekla akas vai kanāla novadīt paaugstinātā kanālā vai rezervuārā. Tāpat mehāniskā enerģija, ko rada ritenis, var darbināt hidraulisko sūkni.

Vienkāršākais modelis sastāv no riteņa ar asmeņiem ar bļodiņām, kas savāc ūdeni vienlaikus ar to, ko tos vada strāva. Pēc tam, rotējot, viņi pilina ūdeni tvertnē vai kanālā.

Dzirnavas

Jau vairāk nekā 2000 gadus grieķi un romieši izmantoja hidraulisko enerģiju, lai pārvietotu dzirnavas labības malšanai. Riteņa griešanās ar ūdens straumi aktivizē pārnesumus, kas pagriež dzirnakmeni.

Kalumi

Vēl viens senlaicīgs hidrauliskās jaudas balstītu darba iespēju pielietojums ir tās izmantošana kalšanas un metalurģijas darbu aktivizēšanai.

Hidrauliskais lūzums

Ieguves rūpniecībā un eļļā ūdens kinētiskā enerģija tiek izmantota, lai noārdītu iežu, tās saplīst un atvieglotu dažādu minerālu ieguvi. Šim nolūkam tiek izmantoti gigantiski paaugstināta spiediena ūdens lielgabali, kas iedarbojas uz substrātu, līdz tas to sagrauj.

Šī ir iznīcinoša tehnika augsnei un ļoti piesārņo ūdensceļus.

Fracking

Ļoti pretrunīgi vērtējams paņēmiens, kas naftas rūpniecībā gūst aizvien lielāku impulsu. Tas sastāv no naftas un gāzes saturošu pamatiežu porainības palielināšanas, lai atvieglotu to noņemšanu.

Tas tiek panākts, lielu daudzumu ūdens un smilšu ievadot augstā spiedienā kopā ar virkni ķīmisku piedevu. Metode ir apšaubīta, ņemot vērā tās lielo ūdens patēriņu, augsnes un ūdeņu piesārņošanu un ģeoloģisko izmaiņu radīšanu.

Hidroelektrostacijas

Visizplatītākais mūsdienu lietojums ir elektroenerģijas ražošanas iekārtu, tā saukto hidroelektrostaciju vai hidroelektrostaciju vadīšana.

Hidroelektrostaciju piemēri

Trīs aizas

Trīs aizu aizsprosts (Ķīna). Avots: Le Grand PortageAtvasināts darbs: Rehmans

Trīs aizu hidroelektrostacija atrodas Ķīnas Hubei provincē Jandzi upes krastā. Šī aizsprosta būvniecība tika uzsākta 1994. gadā un tika pabeigta 2010. gadā, sasniedzot 1045 km² lielu applūdušo teritoriju un uzstādīto jaudu 22 500 MW (megavatos).

Rūpnīcā ietilpst 34 Francis turbīnas (32 no 700 MW un divas no 50 MW) ar gada elektroenerģijas ražošanu 80,8 GWh. Pēc struktūras un uzstādītās jaudas tā ir lielākā hidroelektrostacija pasaulē.

Triju aizu aizsprostam ir izdevies kontrolēt periodiskus upes applūšanas gadījumus, kas izraisīja nopietnu kaitējumu iedzīvotājiem. Tas garantē arī reģiona elektroapgādi.

Tomēr tā celtniecībai bija dažas negatīvas sekas, piemēram, apmēram 2 miljonu cilvēku pārvietošanās. Turklāt tas veicināja kritiski apdraudētā Ķīnas upes delfīna (Lipotes vexillifer) izzušanu.

Itaipu

Itaipu aizsprosts. Avots: Herr stahlhoefer

Itaipú hidroelektrostacija atrodas uz robežas starp Brazīliju un Paragvaju Paraná upes krastā. Tā celtniecība sākās 1970. gadā un beidzās trīs posmos - 1984., 1991. un 2003. gadā.

Dambja applūdušā platība ir 1350 km², un tās uzstādītā jauda ir 14 000 MW. Rūpnīcā ietilpst 20 Francis turbīnas, kuru katra ir 700 MW, un tās gada elektroenerģijas ražošana ir 94,7 GWh.

Itaipu enerģijas ražošanas ziņā uzskata par lielāko hidroelektrostaciju pasaulē. Tas dod 16% no Brazīlijā patērētās elektroenerģijas un 76% Paragvajas.

Neskatoties uz negatīvo ietekmi, šis aizsprosts ietekmēja salu ekoloģiju un Paraná upes deltu.

Saimons Bolivārs (Guri)

Simón Bolívar hidroelektrostacija (Guri, Venecuēla). Avots: Warairarepano un Guaicaipuro

Simón Bolívar hidroelektrostacija, kas pazīstama arī kā Guri aizsprosts, atrodas Venecuēlā uz Caroní upes. Dambja būvniecība tika sākta 1957. gadā, pirmais posms tika pabeigts 1978. gadā, un tas tika pabeigts 1986. gadā.

Guri aizsprosts ir appludināts 4250 km² platībā un uzstādītā jauda ir 10 200 MW. Tās rūpnīcā ietilpst 21 Francis turbīna (10 no 730 MW, 4 no 180 MW, 3 no 400 MW, 3 no 225 MW un viena no 340 MW).

Gada produkcija ir 46 GWh, un tā tiek uzskatīta par trešo lielāko hidroelektrostaciju pasaulē pēc struktūras un uzstādītās jaudas. Hidroelektrostacija nodrošina 80% no Venecuēlas patērētās elektroenerģijas, un daļu no tās pārdod Brazīlijai.

Šīs hidroelektrostacijas būvniecības laikā Venecuēlas Gviānā tika appludinātas lielas ekosistēmu teritorijas - reģionā ar augstu bioloģisko daudzveidību.

Šodien Venecuēlas dziļās ekonomiskās krīzes dēļ šīs rūpnīcas ražošanas jauda ir ievērojami samazināta.

Atsauces

1.- Hadžičs M (2013). Hidrauliskā enerģija, 7. nodaļa. PUCP grupas tehniskās apmācības kurss. Ekoloģisko māju un viesnīcu tehnoloģijas. Peru Pontifikālā katoļu universitāte.
2.- Raabe J (1985). Hidroenerģija. Hidromehānisko, hidraulisko un elektrisko iekārtu dizains, lietošana un darbība. Vācija: N. lpp.
3.- Sandoval Erazo, Vašingtona. (2018). 6. nodaļa: Hidroelektrisko iekārtu pamatjēdzieni.https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, Biasas Bresas Bross, Rodsas Bross Rods, D.G. (2013). Hidroenerģijas enerģijas ražošanas atkarība no mežiem Amazones baseinā vietējā un reģionālā mērogā. Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti, 110 (23), 9601–9606.
5.- Sorija E (s / f). Hidraulika. Atjaunojamās enerģijas visiem. IBERDROLA. 19 lpp.