MOC HYDRAULICZNA: CHARAKTERYSTYKA, SPOSÓB DZIAŁANIA, ZALETY, ZASTOSOWANIA - ŚRODOWISKO - 2026

Hydrauliczne jest zdolność z wodą do pracy spożywczego w tej formie ruchu, światła i ciepła w oparciu o ich potencjał i energii kinetycznej. Jest również uważany za czystą, wysokowydajną energię odnawialną.

Energia ta jest określana przez przepływ, nierówności między punktami na ziemi, przez które porusza się woda, oraz siłę grawitacji. Jest używany przez ludzi od czasów starożytnych do wykonywania różnych zadań.

Itaipú Dam (Brazylia i Paragwaj). Źródło: Angelo Leithold

Jednym z pierwszych zastosowań energii hydraulicznej było zasilenie młynów wodnych wykorzystujących moc prądu. W ten sposób za pomocą kół zębatych można było przenosić kamienie młyńskie do młócenia pszenicy.

Obecnie jego najważniejszym zastosowaniem jest wytwarzanie energii elektrycznej przez elektrownie hydrauliczne lub hydroelektrownie. Te elektrownie składają się zasadniczo z zapory oraz systemu turbin i alternatorów.

Woda gromadzi się w tamie pomiędzy dwoma poziomami koryta (nierówności geodezyjne), generując grawitacyjną energię potencjalną. Następnie prąd wody (energia kinetyczna) aktywuje turbiny, które przekazują energię do alternatorów w celu wytworzenia energii elektrycznej.

Jedną z zalet energii hydraulicznej jest to, że jest odnawialna i nie zanieczyszcza środowiska, w przeciwieństwie do innych źródeł energii. Z drugiej strony jest wysoce wydajny, a wydajność waha się w granicach 90 - 95%.

Oddziaływanie hydroelektrowni na środowisko jest związane ze zmianami temperatury i fizycznymi zmianami cieku wodnego. Podobnie wytwarzane są zużyte oleje i tłuszcze, które są odfiltrowywane z maszyn.

Jego główną wadą jest fizyczna zmiana, którą powoduje w wyniku zalania dużych obszarów lądu oraz zmiany naturalnego przepływu i biegu rzek.

Największą elektrownią wodną na świecie jest The Three Gorges, znajdująca się w Chinach, na rzece Jangcy. Pozostałe dwa mają znaczenie w Itaipú na granicy Brazylii i Paragwaju oraz w elektrowni wodnej Simón Bolívar lub Guri w Wenezueli.

cechy

Źródłem energii hydraulicznej jest woda i jest uważana za energię odnawialną, o ile cykl wodny nie ulega zmianie. Podobnie może produkować pracę bez generowania odpadów stałych lub zanieczyszczających gazów i dlatego jest uważany za czystą energię.

występ

Efektywność energetyczna odnosi się do relacji między ilością energii uzyskanej w procesie a energią niezbędną do jego zainwestowania. W przypadku energii hydraulicznej osiąga się wydajność od 90 do 95% w zależności od prędkości wody i zastosowanego układu turbinowego.

Jak działa energia wodna?

Schemat elektrowni wodnej. Źródło: Użytkownik: Tomia

Transformacja energii słonecznej na energię kinetyczną

Podstawą energii hydraulicznej jest energia słoneczna, topografia terenu i grawitacja ziemska. W cyklu wodnym energia słoneczna powoduje parowanie, a następnie woda skrapla się i wytrąca na ziemi.

W wyniku nierówności terenu i siły grawitacji na powierzchni ziemi występują prądy wód powierzchniowych. W ten sposób energia słoneczna jest przekształcana w energię kinetyczną w wyniku ruchu wody w wyniku połączonego działania nierówności i grawitacji.

Później energię kinetyczną wody można przekształcić w energię mechaniczną zdolną do pracy. Na przykład, można przesuwać ostrza, które przenoszą ruch na układ przekładni, który może obsługiwać różne urządzenia.

Wielkość energii hydraulicznej wynika z nierówności między dwoma określonymi punktami koryta rzeki i jej przepływu. Im większa nierówność terenu, tym większy potencjał i energia kinetyczna wody oraz jej zdolność do generowania pracy.

W tym sensie energia potencjalna to ta, która gromadzi się w zbiorniku wodnym i jest związana z jej wysokością względem gruntu. Z drugiej strony energia kinetyczna to ta, którą woda uwalnia podczas opadania w funkcji topografii i grawitacji.

Produkcja energii elektrycznej z energii wodnej (hydroelektrownia)

Energia kinetyczna wytwarzana przez spadającą wodę może zostać wykorzystana do produkcji energii elektrycznej. Osiąga się to poprzez budowę tam, w których gromadzi się woda i jest utrzymywana na różnych wysokościach.

Zatem energia potencjalna wody jest wprost proporcjonalna do różnicy poziomów między jednym punktem a drugim, a kiedy woda spada, jest przekształcana w energię kinetyczną. Następnie woda przepływa przez system obracających się łopatek i generuje obrotową energię kinetyczną.

Ruch obrotowy umożliwia przesuwanie układów przekładni, które mogą aktywować układy mechaniczne, takie jak młyny, koła lub alternatory. W szczególnym przypadku hydroelektrowni system wymaga turbiny i alternatora do wytwarzania energii elektrycznej.

Turbiny

Turbina składa się z osi poziomej lub pionowej z układem łopatek, które obracają oś pod wpływem wody.

Istnieją trzy podstawowe typy turbin hydraulicznych:

Turbina Peltona

Turbina Peltona. Źródło: Robertk9410

Jest to wysokociśnieniowa turbina impulsowa o poziomej osi, która pracuje bez całkowitego zanurzenia. Wirnik posiada szereg wklęsłych łopatek (łopatek lub zębów) napędzanych strumieniami wody.

Im więcej strumieni wody uderza w turbinę, tym więcej energii będzie generować. Ten typ turbiny jest używany do wodospadów o wysokości od 25 do 200 metrów i osiąga sprawność do 90%.

Francis turbina

Francis turbina. Źródło: Pierwszym przesyłającym był Stahlkocher z niemieckiej Wikipedii.

Jest to średniociśnieniowa turbina reakcyjna o osi pionowej pracująca całkowicie zanurzona w wodzie. Wirnik składa się z łopatek napędzanych wodą prowadzoną przez dystrybutor.

Może być stosowany przy wodospadach o wysokości od 20 do 200 metrów i osiąga sprawność 90%. Jest to typ turbiny najczęściej stosowany w dużych elektrowniach wodnych na świecie.

Turbina Kaplana

Turbina Kaplana. Źródło: TheRunnerUp

Jest to odmiana turbiny Francisa i podobnie jak ona ma oś pionową, ale wirnik składa się z szeregu kierowanych łopatek. Reaguje pod wysokim ciśnieniem i działa całkowicie zanurzony w wodzie.

Turbina Kaplana stosowana jest przy wodospadach o wysokości od 5 do 20 metrów, a jej sprawność może sięgać nawet 95%.

Alternator

Alternator to urządzenie, które ma zdolność przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną poprzez indukcję elektromagnetyczną. W ten sposób bieguny magnetyczne (cewka indukcyjna) są obracane w cewce z naprzemiennymi biegunami z materiału przewodzącego (na przykład miedź nawinięta w miękkie żelazo).

Jego działanie polega na tym, że przewodnik poddany przez pewien czas zmiennemu polu magnetycznemu generuje napięcie elektryczne.

Korzyść

Moc hydrauliczna jest szeroko stosowana, ponieważ ma wiele pozytywnych aspektów. Wśród nich możemy wyróżnić:

To jest ekonomiczne

Choć w przypadku hydroelektrowni początkowa inwestycja jest wysoka, to generalnie w dłuższej perspektywie jest to tania energia. Wynika to z jego stabilności i niskich kosztów utrzymania.

Ponadto należy dodać rekompensatę ekonomiczną zapewnianą przez zbiorniki umożliwiające uprawianie akwakultury, sportów wodnych i turystyki.

Jest odnawialny

Ponieważ opiera się na obiegu wody, jest odnawialnym i ciągłym źródłem energii. Oznacza to, że nie wyczerpuje się on w czasie, w przeciwieństwie do energii z paliw kopalnych.

Jednak jego ciągłość zależy od niezmienności cyklu wodnego w danym regionie lub na świecie.

Wysoka wydajność

Energia hydrauliczna jest uważana za bardzo wydajną i ma wysoką wydajność, która wynosi od 90 do 95%.

Nie zanieczyszcza

Ten rodzaj energii wykorzystuje naturalne źródło, takie jak woda, a także nie wytwarza odpadów ani zanieczyszczających gazów. Dlatego jego wpływ na środowisko jest niewielki i uważany jest za formę czystej energii.

Obecność zbiorników

W przypadkach, w których buduje się zbiorniki na energię hydroelektryczną, niosą one ze sobą szereg dodatkowych korzyści:

- Pozwalają regulować przepływ rzeki i zapobiegać powodziom.
- Stanowią rezerwuar wody do spożycia przez ludzi, nawadniania i użytku przemysłowego.
- Mogą być wykorzystywane jako tereny rekreacyjne i do uprawiania sportów wodnych.

Niedogodności

Zależność od opadów

Ograniczeniem wytwarzania energii wodnej jest jej zależność od reżimu opadów. Dlatego w szczególnie suchych latach może dojść do drastycznego spadku zaopatrzenia w wodę i obniżenia poziomu w zbiorniku.

Kiedy przepływ wody jest zmniejszony, wytwarzanie energii elektrycznej jest mniejsze. W taki sposób, że w regionach, które są silnie uzależnione od hydroelektrowni mogą wystąpić problemy z dostawami energii.

Zmiana naturalnego biegu rzeki

Budowa tamy w rzece zmienia jej naturalny przebieg, reżim powodziowy, zanikanie (zmniejszenie przepływu) i proces ciągnięcia osadów. W związku z tym zachodzą zmiany w biologii roślin i zwierząt wodnych lub znajdujących się w pobliżu akwenu.

Z drugiej strony, zatrzymywanie osadów w zaporze zmienia tworzenie się delt u ujścia rzek i zmienia warunki glebowe.

Niebezpieczeństwo pęknięcia tamy

Ze względu na dużą ilość wody zmagazynowanej w niektórych hydroelektrycznych zaporach, naruszenie muru oporowego lub pobliskich zboczy może spowodować poważne wypadki. Na przykład w roku 1963 we Włoszech nastąpiło zbocze tamy Vajont (obecnie nieużywanej), powodując 2000 zgonów.

Aplikacje

Diabelskie młyny i pompy wodne

Obrót koła napędzanego energią kinetyczną wody umożliwia czerpanie wody z płytkiej studni lub kanału do podwyższonego kanału lub zbiornika. Podobnie energia mechaniczna wytwarzana przez koło może napędzać pompę hydrauliczną.

Najprostszy model składa się z koła z łopatkami z miskami, które zbierają wodę w tym samym czasie, gdy są napędzane przez prąd. Następnie, obracając się, wrzucają wodę do zbiornika lub kanału.

Młyny

Przez ponad 2000 lat Grecy i Rzymianie używali energii hydraulicznej do przemieszczania młynów do mielenia zbóż. Obracanie się koła napędzanego strumieniem wody uruchamia koła zębate, które obracają kamień młyński.

Kuźnie

Innym starożytnym zastosowaniem urabialności opartej na mocy hydraulicznej jest jego użycie do aktywacji miechów kuźniczych w pracach kowalskich i metalurgicznych.

Pęknięcie hydrauliczne

W górnictwie i przemyśle naftowym energia kinetyczna wody jest wykorzystywana do erodowania skały, kruszenia jej i ułatwiania wydobywania różnych minerałów. W tym celu stosuje się gigantyczne działka wodne pod ciśnieniem, które uderzają w podłoże, aż do jego erozji.

Jest to technika niszcząca glebę i silnie zanieczyszczająca drogi wodne.

Fracking

Bardzo kontrowersyjną techniką, która nabiera rozpędu w przemyśle naftowym, jest szczelinowanie. Polega na zwiększeniu porowatości podłoża skalnego zawierającego ropę i gaz w celu ułatwienia jego usunięcia.

Osiąga się to poprzez wtryskiwanie dużych ilości wody i piasku pod wysokim ciśnieniem wraz z szeregiem dodatków chemicznych. Technika ta została zakwestionowana ze względu na duże zużycie wody, zanieczyszczenie gleby i wód oraz spowodowanie zmian geologicznych.

Elektrownie wodne

Najpowszechniejszym współczesnym zastosowaniem jest zasilanie elektrowni, tzw. Hydroelektrowni lub hydroelektrowni.

Przykłady elektrowni wodnych

Trzy Przełomy

Zapora Trzech Przełomów (Chiny). Źródło: Le Grand Portage Praca pochodna: Rehman

Elektrownia wodna Three Gorges znajduje się w chińskiej prowincji Hubei na biegu rzeki Jangcy. Budowa tej tamy rozpoczęła się w 1994 roku i została zakończona w 2010 roku, osiągając zalany obszar 1045 km² i moc zainstalowaną 22 500 MW (megawatów).

W skład elektrowni wchodzą 34 turbiny Francisa (32 o mocy 700 MW i dwie o mocy 50 MW) o rocznej produkcji energii elektrycznej 80,8 GWh. Jest to największa elektrownia wodna na świecie pod względem konstrukcji i zainstalowanej mocy.

Zapora Trzech Przełomów zdołała opanować okresowe wylewania rzeki, które spowodowały poważne szkody dla ludności. Gwarantuje również zaopatrzenie regionu w energię elektryczną.

Jednak jego budowa miała pewne negatywne konsekwencje, takie jak przesiedlenie około 2 milionów ludzi. Ponadto przyczynił się do wyginięcia krytycznie zagrożonego chińskiego delfina rzecznego (Lipotes vexillifer).

Itaipu

Itaipu Dam. Źródło: Herr stahlhoefer

Elektrownia wodna Itaipú znajduje się na granicy Brazylii i Paragwaju na biegu rzeki Parana. Jego budowa rozpoczęła się w 1970 roku i zakończyła się w trzech etapach w latach 1984, 1991 i 2003.

Obszar zalany zapory wynosi 1350 km², a moc zainstalowana 14 000 MW. Zakład składa się z 20 turbin Francisa o mocy 700 MW każda i ma roczną produkcję energii elektrycznej na poziomie 94,7 GWh.

Itaipu jest uważane za największą elektrownię wodną na świecie pod względem produkcji energii. Dostarcza 16% energii elektrycznej zużywanej w Brazylii i 76% w Paragwaju.

Ze względu na negatywne skutki zapora ta wpłynęła na ekologię wysp i deltę rzeki Parana.

Simon Bolivar (Guri)

Elektrownia wodna Simón Bolívar (Gurí, Wenezuela). Źródło: Warairarepano i Guaicaipuro

Elektrownia wodna Simón Bolívar, znana również jako tama Guri, znajduje się w Wenezueli na biegu rzeki Caroní. Budowa tamy rozpoczęła się w 1957 roku, pierwszy etap zakończono w 1978 roku, a zakończono w 1986 roku.

Tama Guri ma zalaną powierzchnię 4250 km² i zainstalowaną moc 10 200 MW. Jego instalacja obejmuje 21 turbin Francisa (10 o mocy 730 MW, 4 o 180 MW, 3 o 400 MW, 3 o 225 MW i jedna o 340 MW)

Roczna produkcja wynosi 46 GWh i jest uważana za trzecią co do wielkości elektrownię wodną na świecie pod względem konstrukcji i zainstalowanej mocy. Elektrownia wodna dostarcza 80% energii elektrycznej zużywanej przez Wenezuela, a część jest sprzedawana Brazylii.

Podczas budowy tej elektrowni wodnej zalane zostały duże obszary ekosystemów w Gujanie Wenezuelskiej, regionie o dużej różnorodności biologicznej.

Dziś, w związku z głębokim kryzysem gospodarczym w Wenezueli, moce produkcyjne tej fabryki zostały znacznie ograniczone.

Bibliografia

1. - Hadzich M (2013). Energia hydrauliczna, Rozdział 7. Szkolenie techniczne Grupy PUCP. Technologie dla ekologicznych domów i hoteli. Papieski Uniwersytet Katolicki w Peru.
2. - Raabe J (1985). Energia wodna. Budowa, zastosowanie i funkcja urządzeń hydromechanicznych, hydraulicznych i elektrycznych. Niemcy: N. p.
3. - Sandoval Erazo, Waszyngton. (2018). Rozdział 6: Podstawowe pojęcia hydroelektrowni. 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 Lues-HOares BSCP i Rodrig (2013). Zależność wytwarzania energii wodnej od lasów w dorzeczu Amazonki w skali lokalnej i regionalnej. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601–9606.
5. - Soria E (s / f). Hydraulika. Energia odnawialna dla wszystkich. IBERDROLA. 19 pkt.